A grafén korunk egyik csodaanyaga, a szénatomok hexagonális kristályrácsából álló egyrétegű anyag remek elektromos tulajdonságokkal rendelkezik, hajlékony, erős és számos olyan egyéb előnnyel bír, amely révén előbb-utóbb átrajzolhatja elektronikai termékek, valamint több más terület iparát is. A rendkívüli lehetőségekkel kecsegtető anyag felfedezői, Andre Geim és Konsztantyin Novoszelov 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak úttörő munkájuk elismeréseként. Grafén alapú védőbevonatok, flexibilis kijelzők, elképesztő kapacitású kondenzátorok, és számos egyéb tudományos-fantasztikus műbe illő elképzelés került komoly megfontolásra a grafén felfedezése óta eltelt években.

A világszerte folyó tömérdek grafénnal foglalkozó kutatás közt azonban nehéz objektív képet alkotni arról, hogy valójában hol is tart ez a technológia. Azt például tudjuk, hogy bár már jó néhány éve ismert az anyag, még egyikünknek sincs flexibilis vagy átlátszó számítógépe. Konsztantyin Novoszelov és kollégái ebben a káoszban kívánnak egy kis rendet teremteni a Nature oldalain megjelent kritikus hangvételű, ám összességében optimista jelentésükkel, amelyben a grafénkutatás és -gyártás aktuális állapotáról számolnak be.

A legfontosabb kérdés, amelyet mindenekelőtt fel kell tenni, olvasható a tanulmányban, hogy rendelkezik-e egyáltalán elegendő előnyös tulajdonsággal a grafén ahhoz, hogy érdemes legyen a létező technológiákban használt anyagok helyett használni. Erre nehéz választ adni, de talán ha egy kicsit másként fogalmazzuk meg a problémát, tisztábban látunk. A szakértők véleménye szerint egy dolog biztos: a grafén legnagyobb ígérete az olyan újfajta alkalmazási lehetőségekben mutatkozhat meg, amelyeket kifejezetten a csodaanyag különleges tulajdonságainak kiaknázására terveznek.

De mi is olyan nagy durranás a grafénban? Ez volt az első olyan anyag, amely atomok egyetlen rétegéből állva is stabil tudott maradni. (A többi egyrétegű anyag, a bór-nitrid vagy a molibdén-diszulfid felfedezésére csak a grafént követően került sor.) A grafit tulajdonképpen apróbb grafénrétegek szabálytalan összességéből áll, a szén nanocsövek pedig hengeres formára csavart grafénlapok.

A szénatomok közti kötések erejének köszönhetően a grafén nagyon ellenálló, nehezen törik még intenzív hajlítgatás esetén is, és a magas nyomást is kibírja. Mivel egyetlen atomi rétegből áll, az elektronok mozgása egy síkban történik, ami különleges elektromos tulajdonságokban nyilvánul meg. Az anyag átlátszó az optikai tartományban, és áthatolhatatlan akadályt jelent a gázok számára.

A problémák az anyag előállításával kezdődnek. A grafénnal kapcsolatos fejlesztések előfeltétele, hogy magas minőségű alapanyag álljon rendelkezésre. A legjobb minőség eléréséhez a legmacerásabb előállítási módot kell alkalmazni, ez jelenleg a hántolás néven emlegetett metódus, melynek során grafitból egy ragasztószalag segítségével egyenként választják le a grafénpikkelyeket. Ez a technológia azonban nem skálázható, így teljesen alkalmatlan a nagyipari felhasználásra.

Vannak más, potenciálisan skálázható módszerek is, de ezek végeredménye közel sem lesz olyan magas minőségű, mint a hántolással létrehozott grafén. A folyékony fázisú hántolás során magas felületi feszültségű folyadékba merítik a grafitot, majd hanghullámokkal bombázzák az összeállítást, így választva le a graféndarabkákat. Egy másik lehetőség a kémiai gőzfázisú rétegleválasztás (CVD), amelyben egy széntartalmú, illékony anyagot cseppfolyósítanak egy rézlapon, a formálódó grafénréteget pedig leválasztják, és egy másik alapra helyezik át. A CVD-technológiát rendszeresen alkalmazzák vékonyfilmek előállításakor. Ezen kívül lehet még közvetlenül is grafént növeszteni, szilícium-karbidon vagy pásztázó elektronmikroszkóp litográfiával, és a metódusok listája közel sem teljes.

Sok módszer van tehát, de jelenleg még ezek egyike sem képes olyan minőségű grafén előállítására, amely a hántolással elérhető. Egyelőre a CVD alkalmazása tűnik a leginkább ígéretesnek és költséghatékonynak. Az előállítási módszer kiválasztása attól is függ, hogy mi lesz a grafén felhasználási területe. Egyes technológiákkal kiváló védőrétegként használható grafén készíthető, a nanoelektronika területén is használható végtermékhez azonban más metódusokat kell kiválasztani.

A gyártási nehézségek és költségek mellett azonban más problémák is akadnak a grafén alapú elektronikával. Az érintőképernyők, elektronikus papírok és egyéb kijelzők esetében meg kell oldani a grafén és a fém elektródák érintkezésének problémáit, ez a szakértők szerint ez a következő évtizedben megvalósulhat.

A másik nagy gond a grafénnal, hogy tiszta állapotában nem rendelkezik tiltott sávval, amely a félvezetők elektromos működésének az előfeltétele. A félvezetők esetében ez a vegyértéksáv és a vezetési sáv között található tiltott sáv mindössze pár elektronvolt. Az elektronok általában már szobahőmérsékleten is rendelkeznek akkora termikus energiával, hogy átugorjanak a vezetési sávba, pozitív töltésű mozgékony lyukat hagyva maguk után. A vezetési sávban elektronok, a vegyértéksávban pedig lyukak keletkeznek, a töltéshordozók kialakulása révén pedig az anyag vezeti az elektromos áramot.

A tiltott sáv módosítása révén (adalékolás) megváltoztathatók a félvezetők tulajdonságai, szabályozható vezetőképességük. Ez a grafén esetében nem tehető meg, jelenleg több réteges összeállításokkal, adalékolással és szerkezeti változtatásokkal igyekeznek „félvezetősíteni” az anyagot, de Novoszelov és kollégái szerint még legalább egy évtizedet kell várni az első grafénból készült integrált áramkörökre.

A grafén tehát nem mostanában fogja átvenni a hagyományos félvezetők helyét. Az olyan új technológiák esetében azonban, amelyek megvalósíthatatlanok lennének a hagyományos összetevők felhasználásával, mint például a flexibilis vagy az átlátszó elektronika, illetve a biológiai alkalmazás területei, a szakértői jóslatok szerint a grafén hamarosan kikerülhet a laborokból, és az első ilyen termékek és metódusok már akár egy évtizeden belül is megjelenhetnek a piacon.