Grafeenia pidetään elektroniikan ihmeaineena. Pienen kokonsa, läpinäkyvyytensä ja muiden ominaisuuksiensa ansiosta grafeenissa nähdään paljon potentiaalia erilaisissa sovelluksissa esimerkiksi elektroniikkakomponenttien sekä läpinäkyvän tai printatun elektroniikan saralla.
Juha Koivistoisen Jyväskylän yliopistossa tekemä väitöskirjassa tarkasteltiin ultranopeita ilmiöitä grafeenissa soveltaen epälineaarisiin optisiin ilmiöihin perustuvia menetelmiä. Tällaiseen tutkimukseen on käytettävä pulssitoimisia lasereita. Pulssilasereilla on valokuvauksen valotusaikaan jokseenkin verrattavissa oleva pulssin kesto. Jos pulssin kesto on lyhyempi kuin havaittu tapahtuma, kyetään mitattava tapahtuma havaitsemaan.
- Näissä tutkimuksissa käytettiin femtosekuntilasereita, joissa pulssin kesto voi olla sekunnin miljardisosan miljoonasosan suuruusluokkaa, ja niillä kyetään havaitsemaan erittäin nopeita tapahtumia, kuten atomien värähtelyä, Koivistoinen kertoo.
Jos grafeenia säteilytetään femtosekuntilaserilla huoneen lämpötilassa ja vallitsevassa ilmankosteudessa, sitä voidaan hallitusti hapettaa valokemiallisen reaktion avulla valituilta alueilta. Sen pintaan voidaan esimerkiksi piirtää kuvioita. Näin hapettamalla grafeeniin pystytään tekemään alueita, jotka toimivat puolijohteena tai eristeenä, riippuen säteilytyksen asetuksista.
- Havainto on merkittävä, sillä nyt johteena tunnettua grafeenia voidaan muokata niin, että käyttöön saadaan helposti kaikki sähkökomponenttien tekemiseen tarvittavat pakolliset osat: johde, puolijohde ja eriste, Koivistoinen selvittää.
Oheisessa kuvassa on atomivoimamikroskoopilla kuvattua grafeenin pintaa, johon on hallitusti hapetettu eri kuvioita. Grafeenin hapettumista tutkittiin myös muilla menetelmillä. Tulokset tukevat hypoteesia valokemiallisesta hapettumisesta, ja ilmiön syntymekanismista saatiin jo erittäin hyvä käsitys. Tutkimuksessa onnistuttiin myös kehittämään mikroskopian menetelmä, jolla grafeenin hapetusta voidaan seurata laajaltakin alueelta. Menetelmä on yhdistelmä laajakenttämikroskopiaa ja femtosekuntilasereita hyödyntävään CARS-spektroskopiaa.
- Myös aikaerotteista CARS-spektroskopiaa käyttäen kyettiin mittaamaan hiiliatomien värähtelyn dynamiikkaa grafeenissa. Tämä selvensi edelleen käsitystä, että grafeenissa atomien värähtely ja elektronit ovat kytköksissä toisiinsa, Koivistoinen esittelee.
Koivistoisen kemian väitöskirja ”Non-linear interactions of femtosecond laser pulses with graphene: photo-oxidation, imaging and photodynamics” tarkastetaan Jyväksylässä ensi viikon perjantaina.
