Συνέντευξη: Συζητώντας με τον ερευνητή κ. Παντελή Μπάμπουλη για τα ενδιαφέροντα τεχνητά υλικά, γερμανένιο και πυριτένιο (Μέρος 1)

Από στις 7 Ιουλίου 2016

Η μεταφορά της πληροφορίας από την American Physical Society, 21 Ιουνίου 2016, για τις εργασίες σε δυο τεχνητά υλικά – το γερμανένιο και το πυριτένιο – στο egno.gr έγινε με κείμενο υπό τον τίτλο: «Νανοτεχνολογία: Νέα υλικά με ενδιαφέρουσες ιδιότητες ή όταν νέες συνθέσεις αποκαλύπτουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά». Η πρόοδος στην περιοχή αυτή φαίνεται πως είναι κάτι που τα επόμενα χρόνια προβλέπεται να παίξει σημαντικό ρόλο στην περιοχή της τεχνολογίας, στοιχείο που φυσικά αναμένεται να επηρεάσει την καθημερινότητά μας, όπως θα είναι τότε.

Θεωρήσαμε – ως ομάδα του egno.gr ότι θα ήταν χρήσιμο να είχαμε μερικές ακόμη πληροφορίες και για εμάς, αλλά κυρίως για τους αναγνώστες και φίλους του egno.gr. Αυτό θα προέρχονταν με την έγκυρη πληροφορία, που ένας/μία από τους συγγραφείς των εργασιών αυτών θα μας έδινε. Ήταν ευλογία το ότι στην ομάδα αυτή υπήρχε ένας Έλληνας επιστήμονας, ο Παντελής Μπάμπουλης, από το Πανεπιστήμιο του Τβέντε, στην Ολλανδία! Έτσι το egno.gr απευθύνθηκε σε αυτόν και του έθεσε μια σειρά από ερωτήματα: Αφορούν στην εργασία, στα υλικά που διαμορφώθηκαν και στις σκέψεις του ερευνητή για την Ελληνική εκπαίδευση.

Οι απαντήσεις οργανώθηκαν σε τρία μέρη. Σήμερα παρουσιάζεται το πρώτο μέρος, στο οποίο θα μάθουμε μια σειρά από στοιχεία που σχετίζονται με την συγκεκριμένη εργασία στην οποία συμμετέχει ο Παντελής Μπάμπουλης και η οποία αποτέλεσε αφορμή να ασχοληθούμε περισσότερο με το θέμα. Μικρό βιογραφικό του κ Μπάμπουλη θα παρουσιαστεί στο τρίτο τμήμα της συνέντευξης.

ΚΑΖ. Αγαπητέ κ. Μπάμπουλη, θα θέλατε να μας παρουσιάσετε την εργασία σας; [Ποιο ήταν το φαινόμενο διεγέρτης ή η ιδέα διεγέρτης που σας οδήγησε να ασχοληθείτε με το συγκεκριμένο θέμα; Ποιο ήταν το κύριο ερευνητικό ερώτημα που τέθηκε; Ποιές ήταν οι δυσκολίες που χρειάστηκε να υπερβείτε, τόσο σε επίπεδο υποδομών, όσο και σε επίπεδο θεωρητικής διαχείρισης, για να πετύχετε το στόχο σας; Τελικά, ποιο είναι το αποτέλεσμα της έρευνας αυτής; Πως θα μπορούσατε να το περιγράψετε με απλά λόγια;]

Π.Μ. Η ανακάλυψη του γραφενίου, το πρώτο 2D υλικό, έχει οδηγήσει σε πολλές ενδιαφέρουσες και συναρπαστικές επιστημονικές ανακαλύψεις. Τα ηλεκτρόνια στο γραφενίο συμπεριφέρονται ως σχετικιστικά άμαζα φερμιόνια που περιγράφονται από την εξίσωση Dirac, δηλαδή, η σχετικιστική παραλλαγή της εξίσωσης Schrödinger. Το γραφένιο είναι ένα φύλλο γραφίτη. Ο γραφίτης, ένα αλλότροπο του άνθρακα, αποτελείται από μια στοίβα φύλλων γραφενίου με κυψελοειδή δομή. Υπό κανονικές συνθήκες, δηλαδή θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση, ο γραφίτης και συνεπώς και το γραφένιο είναι θερμοδυναμικά σταθερά. Πιο σταθερό και από το άλλο αλλότροπο του άνθρακα, το διαμάντι. Η εντυπωσιακή άνοδος του γραφενίου σε συνδυασμό με τις μοναδικές του ιδιότητες έχει κεντρίσει πολλούς επιστήμονες να αναζητήσουν εναλλακτικά 2D υλικά.

20160621_Γερμανένιο σε δισουλφίδιο μολυβδαινίου560

Οι πιο προφανείς εναλλακτικές λύσεις είναι τα στοιχεία της ομάδας IV του περιοδικού πίνακα, δηλαδή το πυρίτιο και το γερμάνιο. Τα στοιχεία αυτά έχουν παρόμοια ηλεκτρονική διάταξη με αυτή του άνθρακα και συνεπώς προβλέπεται να παρουσιάζουν εξίσου ενδιαφέρουσες φυσικές ιδιότητες. Δυστυχώς για το πυρίτιο και το γερμάνιο αλλότροπα με την μορφή του γραφένιου/γραφίτη, δηλαδή το γερμανένιο και πυριτένιο, δεν έχουν ακόμα βρεθεί στη φύση και ως εκ τούτου πρέπει να συντεθούν στο εργαστήριο. Το γκρουπ μας διαθέτει δεκαετίες εμπειρίας στην μελέτη του γερμανίου και του πυριτίου και επίσης τον κατάλληλο εξοπλισμό και υποδομές για την μελέτη και σύνθεση του γερμανένιου και πυριτένιου. Μέχρι και πριν λίγες εβδομάδες, το γερμανένιο είχε συντεθεί μόνον σε μεταλλικά υποστρώματα όπως για παράδειγμα Ag και κράμα Ge2Pt.

Τα μεταλλικά υποστρώματα είναι συνήθως επιζήμια για την δισδιάστατη Dirac φύση του γερμανένιου (αλλά και του πυριτένιου). Διότι οι σημαντικές ηλεκτρονικές καταστάσεις κοντά στο επίπεδο Fermi του γερμανένιου μπορεί να υβριδοποιηθούν με τις ηλεκτρονικές ζώνες του μεταλλικού υποστρώματος. Στην πρόσφατη εργασία μας στο περιοδικό PRL αναφέρουμε τη σύνθεση του γερμανένιου στο ημιαγώγιμο υπόστρωμα μολυβδαινίου δισουλφιδίου (MoS2). Mετρήσεις με μικροσκόπιο σάρωσης σήρραγας (STM) έδειξαν ότι κατά την εναπόθεση (σε θερμοκρασία δωματίου) γερμανίου στην επιφάνεια MοS2, τα άτομα γερμανίου σχηματίζουν 2D στρώματα με κυψελοειδή δομή πάνω/κοντά σε επιφανειακές ατέλειες της επιφάνειας του MοS2. Αυτές οι ατέλειες λειτουργούν σαν σημεία πυρήνωσης. Περαιτέρω εναπόθεση γερμανίου οδηγεί στην πλήρη κάλυψη της επιφάνειας με ένα στρώμα γερμανένιου.

STM φασματοσκοπία και υπολογισμοί DFT δείχνουν ότι πράγματι η ηλεκτρονιακή δομή γύρο από το επίπεδο Fermi του γερμανενίου στο MοS2 έχει μορφή που υποδεικνύει ότι όντως αυτό το υλικό ακολουθεί την φυσική Dirac. Το επόμενο βήμα είναι να επιβεβαιώθούν οι εξωτικές ιδιότητες του γερμανενίου με περαιτέρω πειραματικές έρευνες και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Μια πολύ σημαντική παρατήρηση είναι ότι το γερμανένιο, σε αντίθεση με το γραφένιο, δεν είναι σταθερό σε συνθήκες περιβάλλοντος και ως εκ τούτου πρέπει να προστατευτεί έναντι της οξείδωσης. Αυτό μπορεί να γίνει με εγκλεισμό του γερμανένιου ανάμεσα σε υλικά με μεγάλο ενεργειακό χάσμα και με αδύναμες Van der Waals αλληλεπιδράσεις, όπως για παράδειγμα το MοS2 και το h-BN.

ΚΑΖ. Ποια είναι η συνεισφορά του αποτελέσματος των ερευνών σας στα πεδία της Επιστήμης και της Τεχνολογίας; Ποια θεωρείτε ότι θα είναι η χρησιμότητα των αποτελεσμάτων των ερευνών σας στην κοινωνία, στην καθημερινότητα των ανθρώπων και στον τρόπο σκέψης τους;

Π.Μ. Η εξερεύνηση αυτών των νέων 2D υλικών έχει μόλις αρχίσει, οι υποσχέσεις τους δεν έχουν ακόμα υλοποιηθεί, και η έκταση των δυνατοτήτων τους, για παράδειγμα στην έρευνα νέας φυσικής αλλά και εφαρμογών, παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτη. Δεδομένου ότι, το πυρίτιο και κατ’ επέκταση το γερμάνιο θεωρούνται η κινητήριος δύναμη της βιομηχανίας ηλεκτρονικών, η σύνθεσή τους θα πρέπει να έχει σημαντικές επιπτώσεις στις νέες ηλεκτρονικές συσκευές, κυρίως λόγω της συμβατότητάς τους με τις υπάρχουσες τεχνολογίες πυριτίου. Με την σύνθεση του γερμανένιου στο ημιαγώγιμο υπόστρωμα του MοS2 η πιο βασική προϋπόθεση για την εφαρμογή των υποσχέσεων αυτού του νέου υλικού έχει υλοποιηθεί.

Ακολουθεί το δεύτερο τμήμα της συνέντευξης (διαβάστε το).

Πηγή: egno.gr

Κωνσταντίνος Ζώκος

Κωνσταντίνος Ζώκος

Φυσικός, Δάσκαλος Φυσικής