Chińczycy rozwiązali jeden z największych problemów grafenu

Przełom nie polega na stworzeniu grafenu jako takiego, lecz na uzyskaniu kontroli nad sposobem ułożenia jego kolejnych warstw. W klasycznym grafenie atomy węgla tworzą dwuwymiarową strukturę o charakterystycznym układzie przypominającym plaster miodu. Gdy jednak takich warstw jest więcej, ich wzajemne przesunięcie zaczyna mieć zasadnicze znaczenie dla właściwości elektronowych całego materiału.

Najczęściej występujący grafit ma tzw. ułożenie Bernala, opisywane sekwencją ABAB. W grafenie romboedrycznym kolejne warstwy są natomiast przesunięte w konfiguracji ABCABC. Na pierwszy rzut oka różnica jest niewielka. Na poziomie elektronowym prowadzi jednak do zupełnie innych właściwości materiału.

To właśnie struktura ABC może sprzyjać powstawaniu płaskich pasm energetycznych oraz stanów, w których oddziaływania pomiędzy elektronami stają się wyjątkowo silne. Grafen romboedryczny stał się dzięki temu jedną z istotnych platform eksperymentalnych służących badaniom fizyki skorelowanej, magnetyzmu, nadprzewodnictwa oraz topologicznych stanów materii.

Zespół kierowany przez badaczy związanych z Uniwersytetem Pekińskim uzyskał materiał o czystości fazowej przekraczającej 99 proc. Powstałe obszary grafenu romboedrycznego osiągały maksymalnie około 160 na 80 mikrometrów. Naukowcy byli jednocześnie w stanie kontrolować jego grubość – od około 15 warstw do około 120 nanometrów.

Koniec z poszukiwaniem pojedynczych płatków grafenu

Jedną z największych przeszkód w badaniach nad romboedrycznym grafenem była dotychczas nie tyle możliwość wykazania jego interesujących właściwości, ile zdobycie odpowiedniej próbki.

Układ ABC jest mniej stabilny termodynamicznie od typowego ułożenia Bernala. W praktyce oznaczało to, że właściwy materiał występował stosunkowo rzadko. Naukowcy korzystali m.in. z mechanicznego rozdzielania grafitu, a następnie analizowali otrzymane mikroskopijne fragmenty w poszukiwaniu tych o właściwej sekwencji warstw.

Jak wynika z informacji przytaczanych przez „South China Morning Post” i serwis Graphene-Info, udział odpowiednich próbek mógł wynosić poniżej 1 proc. Taka metoda wystarcza do niektórych eksperymentów laboratoryjnych, ale staje się poważnym ograniczeniem, gdy badania wymagają większej liczby powtarzalnych próbek albo gdy rozważana jest produkcja struktur elektronicznych.

Chińscy naukowcy postanowili więc nie szukać odpowiedniego układu warstw, lecz wymusić jego powstawanie podczas wzrostu materiału.

Stop miedzi i niklu oraz tlenek aluminium jako szablon wzrostu

Metoda opisana w „Science” wykorzystuje epitaksjalny wzrost kierowany geometrią stopnia znajdującego się w podłożu. Naukowcy zastosowali stop miedzi i niklu w połączeniu z odpowiednio przygotowaną powierzchnią tlenku aluminium. Stop pełni rolę katalizatora i szablonu wzrostu, natomiast geometria całego układu pozwala wpływać na przesuwanie kolejnych warstw grafenu.

W wysokiej temperaturze atomy węgla mogą dzięki temu tworzyć kolejne warstwy w pożądanej konfiguracji romboedrycznej. Kluczowe znaczenie ma kontrolowanie wzajemnego przesunięcia warstw podczas samego procesu wzrostu.

W publikacji naukowcy określają tę metodę jako strategię epitaksjalną sterowaną geometrią stopnia. Jej znaczenie wykracza poza sam fakt otrzymania większej próbki grafenu. W praktyce badacze pokazali, że określony sposób ułożenia warstw materiału można uzyskiwać w procesie zaprojektowanym z góry, zamiast polegać na statystycznym prawdopodobieństwie znalezienia odpowiedniego fragmentu.

Grafen romboedryczny i kwantowy anomalny efekt Halla

Badanie nie ograniczyło się do sprawdzenia struktury otrzymanego materiału. Zespół przeprowadził również pomiary transportu elektronowego. Zaobserwowano stan antyferromagnetyczny związany z warstwami oraz kwantowy anomalny efekt Halla.

Ten drugi jest szczególnie interesujący z punktu widzenia elektroniki kwantowej i fizyki topologicznej. W klasycznym efekcie Halla zachowanie nośników ładunku jest związane z zewnętrznym polem magnetycznym. Kwantowy anomalny efekt Halla pozwala natomiast na występowanie skwantowanej odpowiedzi Halla bez konieczności stosowania klasycznego zewnętrznego pola magnetycznego.

Grafen romboedryczny już wcześniej był intensywnie badany jako środowisko umożliwiające obserwację podobnych zjawisk. W 2024 r. w „Science” opublikowano wyniki dotyczące dużego kwantowego anomalnego efektu Halla w romboedrycznym grafenie znajdującym się w pobliżu materiału o silnym sprzężeniu spin-orbita. Inne badania wykazały także występowanie w wielowarstwowym grafenie romboedrycznym silnie skorelowanych stanów elektronowych.

Nowa metoda może mieć zatem znaczenie przede wszystkim dlatego, że ułatwia przygotowanie materiału potrzebnego do kolejnych eksperymentów. Nie oznacza to jednak, że chińscy naukowcy stworzyli gotowy procesor kwantowy ani materiał przygotowany do masowej produkcji układów elektronicznych.

Grafen zamiast krzemu? Do tego wciąż daleka droga

Rozmiar największych uzyskanych obszarów – około 160 na 80 mikrometrów – jest znaczący z perspektywy badań nad grafenem romboedrycznym, ale nadal pozostaje bardzo mały w zestawieniu ze skalą współczesnego przemysłu półprzewodnikowego. Standardowe wafle krzemowe wykorzystywane przy produkcji najbardziej zaawansowanych układów scalonych mogą mieć średnicę 300 mm.

Dlatego wyniku zespołu z Uniwersytetu Pekińskiego nie należy interpretować jako bezpośredniej zapowiedzi zastąpienia krzemu grafenem w procesorach. Naukowcy rozwiązali jeden z podstawowych problemów materiałowych: powtarzalne uzyskanie rzadkiej, pożądanej struktury wielowarstwowego grafenu.

To istotna różnica. Przejście od laboratoryjnej próbki do przemysłowej technologii wymaga m.in. zwiększenia powierzchni materiału, zachowania jednorodności jego właściwości, integracji z innymi materiałami i elementami układów oraz opracowania procesu umożliwiającego produkcję dużej liczby identycznych struktur.

Większe arkusze grafenu kolejnym celem badaczy

Jednym z kolejnych kierunków prac ma być łączenie mniejszych obszarów grafenu romboedrycznego w większe, ciągłe struktury. Dopiero zwiększenie rozmiaru materiału przy zachowaniu wysokiej czystości fazowej pozwoli szerzej ocenić jego potencjał urządzeniowy.

Znaczenie publikacji w „Science” może być jednak szersze. Badanie pokazuje bowiem, że właściwości materiału można projektować nie tylko poprzez zmianę jego składu chemicznego, lecz również przez precyzyjne sterowanie położeniem kolejnych warstw w skali atomowej.

W przypadku grafenu pozostaje ten sam pierwiastek – węgiel – ale przesunięcie warstw prowadzi do powstania odmiennego układu elektronowego. To właśnie możliwość kontrolowania takiej geometrii może stać się jednym z ważnych narzędzi rozwoju materiałów stosowanych w przyszłej elektronice i badaniach nad technologiami kwantowymi.

Źródła:

• CHIP.pl, materiał „Jeden atom grubości nie wystarcza. Chiny zrobiły grafen mający zmienić świat”, 17 sierpnia 2026 r.
• „Science”, Mengze Zhao i współautorzy, „Step geometry–guided growth of rhombohedral graphene”, tom 393, 23 lipca 2026 r.
• Uniwersytet Pekiński, zespół Kaihui Liu, informacje o publikacji dotyczącej kontrolowanego wzrostu grafenu romboedrycznego.
• „South China Morning Post”, materiał dotyczący produkcji grafenu romboedrycznego przez chińskich naukowców, 7 sierpnia 2026 r.
• American Physical Society, badania nad romboedrycznym grafenem i jego płaskimi pasmami elektronowymi.
• „Science”, badania nad dużym kwantowym anomalnym efektem Halla w romboedrycznym grafenie.