Grafeenilla on lukuisia erinomaisia ominaisuuksia, kuten sen sähkönjohtokyky, läpinäkyvyys ja mekaaninen kestävyys. Näistä seikoista johtuen grafeenia on kaavailtu käytettäväksi lukuisissa sovelluksissa, esimerkiksi sähkön varastoinnissa, herkissä mittalaitteissa sekä tietoliikennekomponenteissa.

FM Vesa-Matti Hiltunen tutki väitöskirjatyössään, kuinka grafeenin muotoa ja ominaisuuksia voidaan muokata altistamalla se erittäin lyhyille mutta voimakkaille laserpulsseille. Laserpulssien vaikutuksesta normaalisti täysin kaksiulotteisesta grafeenista voidaan valmistaa kolmiulotteisia rakenteita.

”Kutsumme tätä menetelmää optiseksi taonnaksi, koska se muistuttaa lättänän metallilevyn takomista vasaralla kolmiulotteiseen muotoon. Optisella taonnalla valmistetut rakenteet ovat satoja kertoja korkeampia kuin grafeenin paksuus, mutta silti niin pieniä, että ne mahtuvat helposti esimerkiksi hiuksen pinnalle”, kertoo Vesa-Matti Hiltunen.

Laservalo jäykistää grafeenia

Laitteet, joita grafeenista voidaan valmistaa, ovat esimerkiksi erilaisia mekaanisesti värähtelemällä toimivia sensoreita. Optisen taonnan tuloksena havaittiin, että grafeeni jäykistyy niin, että sitä on vaikeampi taivuttaa. Tämä on mielenkiintoinen havainto, sillä jäykistyminen kasvattaa grafeenin mekaanista värähtelytaajuutta. Värähtelytaajuuden kasvattaminen puolestaan voi parantaa mekaanisten laitteiden nopeutta ja tarkkuutta, eli niistä voidaan tulevaisuudessa valmistaa esimerkiksi herkempiä mittalaitteita tai nopeampia tietoliikennelaitteita.

”Optista taontaa käyttämällä onnistuimme valmistamaan rakenteita, jotka olivat jopa 10 000 kertaa jäykemmät kuin muokkaamaton grafeeni. Se on ennätyksellisen paljon näin ohuelle materiaalille”, Hiltunen kertoo.

Muoto syntyy atomitason muutoksista

Tutkimuksessa saatiin selville, että optisen taonnan aiheuttamat rakenteet aiheuttavat grafeeniin kidevirheitä, eli sen atomirakenteen särkymistä.

Särkyminen alkaa satunnaisista pisteistä. Kun grafeenia altistetaan laserille tarpeeksi kauan, pistemäisistä virheistä muodostuu viivamaisia säröjä. Säröt grafeenin rakenteessa puolestaan johtavat sen paikalliseen laajentumiseen ja pullistumiseen kolmiulotteisiksi rakenteiksi.

”Tutkimukset antoivat runsaasti uutta tietoa, kuinka grafeenin muotoa ja ominaisuuksia voidaan muokata. Menetelmän vahvuutena on, ettei siihen tarvita monimutkaisia prosesseja tai kemiallisia käsittelyjä. Muutokset saadaan aikaan pelkästään laservalolla”, Hiltunen summaa.

Väitöskirjatyötä on rahoittanut Suomen Kulttuurirahasto.

Tutkimus on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten sarjassa JYU Dissertations, numero 362, Jyväskylä, 2021.
ISBN 978-951-39-8560-8 (PDF) URN:ISBN:978-951-39-8560-8 ISSN 2489-9003
Linkki tutkimukseen:  http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-8560-8

Lisätietoja:
Vesa-Matti Hiltunen, vesa-matti.j.hiltunen@jyu.fi

FM Vesa-Matti Hiltusen väitöskirjan "Modification of graphene properties by optical forging" tarkastustilaisuus on 26.3.2021 kello 12 alkaen Jyväskylän yliopistossa. Vastaväittäjänä on Dr. Ivan Bobrinetskiy (National Research University of Electronic Technology, Venäjä) ja kustoksena dosentti Andreas Johansson (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Yleisö voi seurata väitöstilaisuutta verkkovälitteisesti.

Linkki Zoom-webinaariin (suositellaan Zoom-sovellusta tai Google Chrome selainta): https://r.jyu.fi/dissertation-hiltunen-260321

Puhelinnumero, johon yleisö voi tilaisuuden lopussa osoittaa mahdolliset lisäkysymyksensä (kustokselle): +358 40 805 4496