Επιλεγμένα

Συνέντευξη: Ο ερευνητής Νανοτεχνολογίας κ. Μπάμπουλης περιγράφει τη δομή των νέων 2D υλικών και τις εφαρμογές τους (Μέρος 2)

Από στις 9 Ιουλίου 2016

Το πρώτο μέρος της συνέντευξης (διαβάστε το) με τον κ. Μπάμπουλη αναφέρεται στην εξήγηση σημείων της εργασίας της ερευνητικής ομάδας στη οποία συμμετέχει και η οποία παρουσιάστηκε στο egno.gr. Ο Παντελής Μπάμπουλης είναι ένας από τους ερευνητές που μελετούν τα νέα υλικά, γερμανένιο και πυριτένιο, με τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες που θεωρείται ότι θα τα καταστήσουν ιδιαίτερα χρήσιμα σε τεχνολογικές εφαρμογές, στο μέλλον.

Στο σημερινό δεύτερο μέρος της συνέντευξης – το οποίο είναι περισσότερο επιστημονικό και κατά συνέπεια έχει ενδιαφέρον για τους Φυσικούς, με όσους/ες ασχολούνται με την τεχνολογία, αλλά και όσους/ες θέλουν να γνωρίζουν πώς μπορεί να είναι η τεχνολογία του μέλλοντος – συζητάμε με τον ερευνητή για τα ιδιαίτερα αυτά τεχνητά υλικά, τη δομή τους και τα χαρακτηριστικά τους που τα καθιστούν σημαντικά, αλλά και τις εφαρμογές τους.

ΚΑΖ. Η εργασία σας αναφέρεται στο Γερμανένιο. Παράλληλα υπήρξαν και άλλες έρευνες – ανεξάρτητες από τις δικές σας – για το Γερμανένιο, αλλά και δικό σας ερευνητικό ενδιαφέρον για το Πυριτένιο, σε μια δυναμική συνέχεια των ερευνών που έχουν σχέση με το Γραφένιο. Θα θέλατε να μας βοηθήσετε να αντιληφθούμε τη δομή τους; [Είναι υλικά που συνδέονται με στοιχεία μιας ορισμένης περιοχής του Περιοδικού Πίνακα ή όχι;] Αλλά και να μας βοηθήσετε να κατανοήσουμε τί είναι αυτό που καθιστά αυτά τα τεχνητά υλικά τόσο σημαντικά, ώστε να επενδύονται οικονομικοί πόροι στην έρευνα που σχετίζεται με αυτά; Θα θέλατε να μας ονομάσετε ή και να μας περιγράψετε μια σειρά από εφαρμογές των υλικών αυτών, όπως τις αντιλαμβάνεστε σήμερα ως Επιστήμονες-Ερευνητές; Τι έχει να ωφεληθεί ο μέσος Άνθρωπος από τις εφαρμογές αυτές; Πόσο σύντομα θα μπορούσαμε να περιμένουμε να δούμε να υλοποιούνται αυτές οι εφαρμογές;

Π.Μ. Το γερμανένιο αλλά και το πυριτένιο είναι υλικά που αποτελούνται από τα στοιχεία της ομάδας IV του περιοδικού πίνακα. Δηλαδή την ίδια ομάδα με τον άνθρακα. Η ηλεκτρονιακή δομή του γερμανίου, πυριτίου και άνθρακα είναι παρόμοια αφού και τα τρία στοιχεία έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά s και p τροχιακά τους. Το γερμανένιο και πυριτένιο έχουν, όπως και το γραφένιο, κυψελοειδή δομή. Σε αντίθεση όμως με το γραφένιο, που η δομή του είναι πλήρως επίπεδη, το γερμανένιο και πυριτένιο έχουν λυγισμένη (buckled) δομή.

Μπορούν να περιγραφούν από δύο εξαγωνικά υπο-πλέγματα της κυψελοειδής τους δομής. Τα οποία είναι κάθετα μετατοπισμένα κατά 0.64 Å και 0.44 Å, για το γερμανένιο και πυριτένιο αντίστοιχα. Αυτή η κάθετη μετατόπιση είναι και ο βασικός λόγος που τα ηλεκτρόνια αυτών των δύο υλικών συμπεριφέρονται ως σχετικιστικά άμαζα φερμιόνια και περιγράφονται από την εξίσωση Dirac. Λόγω του μεγαλύτερου ατομικού αριθμού του γερμανίου και του πυριτίου, σε σύγκριση με τον άνθρακα, αυτά τα υλικά έχουν ισχυρότερo spin-orbit coupling (σύζευξη τροχιακού σπιν). Το χάσμα spin-orbit των π τροχιακών του γερμανένιου στα σημεία Dirac είναι περίπου 23.9 meV, και σημαντικά υψηλότερο από αυτό του πυριτένιου και γραφένιου.

Γερμανένιο (δομή)

Γερμανένιο (δομή)

Αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον γιατί το γερμανένιο, αλλά και το πυριτένιο και γραφένιο, είναι 2D τοπολογικοί μονωτές και έτσι ιδανικοί υποψήφιοι να παρουσιάσουν το κβαντικό σπιν Hall φαινόμενο. Το μεγάλο χάσμα spin-orbit καθιστά το γερμάνενιο ιδανικό υποψήφιο για να παρουσιάσει το κβαντικό σπιν Hall φαινόμενο σε θερμοκρασίες εύκολα προσβάσιμες από την επιστημονική κοινότητα. Επίσης, και με μεγάλη τεχνολογική σημασία, το γερμανένιο και το πυριτένιο, αντίθετα με το γραφένιο, προσφέρουν την δυνατότητα ανοίγματος ενεργειακού χάσματος μέσω για παράδειγμα ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, προσρόφηση ξένων ατόμων ή μέσω σύζευξης με το υπόστρωμα.

Το άνοιγμα του ενεργειακού χάσματος ανοίγει το δρόμο για την υλοποίηση του γερμανένιου και πυριτένιου σε συσκευές field-effect (για παράδειγμα transistors). Το γερμανένιο μπορεί επίσης να βρει εφαρμογή για παράδειγμα σε μπαταρίες με δυνατότητα εξαιρετικής γρήγορης φόρτισης, ταχύτερα και μικρότερα ηλεκτρονικά συστήματα, λεπτές οθόνες αφής, αισθητήρες, καθαρισμό νερού κτλ. Όλες αυτές οι εφαρμογές έχουν ως κύριο σκοπό την βελτίωση των συσκευών που ήδη υπάρχουν αλλά και την βελτίωση της ποιότητας ζωής, για παράδειγμα μέσω φίλτρων καθαρισμού νερού. Τα αρχικά βήματα έχουν παρθεί όμως περισσότερα πρέπει να γίνουν για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε τη φυσική των υλικών αυτών και να είμαστε σε θέση να τα εκμεταλλευτούμε κάπου στο εγγύς μέλλον.

ΚΑΖ. Σημείο στην ερευνητική σας πορεία είναι η ενασχόλησή σας με τη Νανοτεχνολογία και τις διεπαφές (δυο) υλικών. Τι ήταν αυτό που σας οδήγησε σε αυτή την περιοχή έρευνας;

Π.Μ. Πάντα με προσέλκυε η δυνατότητα να βλέπω και να ελέγχω μεμονωμένα άτομα και μόρια. Κάτι τόσο μικρό όσο ένα άτομο είναι αδύνατο να το δούμε με γυμνό μάτι. Στην πραγματικότητα, είναι αδύνατο να τα δούμε με τα συνηθισμένα οπτικά μικροσκόπια που χρησιμοποιούνται συνήθως στο γυμνάσιο/λύκειο. Με την ανακάλυψη του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (STM) και του μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM), περίπου πριν από 30 χρόνια, αυτό έγινε δυνατόν. Με την βοήθεια αυτών των νέων επιστημονικών εργαλείων (STM, AFM) η εποχή της νανοτεχνολογίας ξεκίνησε. Πλέον μπορούμε με μεγάλη ακρίβεια να μελετήσουμε την συμπεριφορά ατόμων και μορίων σε επιφάνειες αλλά και σε διεπιφάνειες υλικών.

Ακολουθεί το τρίτο τμήμα της συνέντευξης (διαβάστε το).

Πηγή: egno.gr

Κωνσταντίνος Ζώκος

Κωνσταντίνος Ζώκος

Φυσικός, Δάσκαλος Φυσικής