Új anyagok előállítását és az anyagok új fizikai jelenségeken alapuló működési elvének feltárását, valamint az ezeken alapuló nanoelektronikai eszközök megvalósíthatóságának bizonyítását tervezi a Magyar Tudományos Akadémia kiválósági pályázatán nyertes Tapasztó Levente fizikus, aki az MTA Természettudományi Kutatóközpontban alakíthat lendületes kutatócsoportot.

"A Lendület-pályázat komoly lehetőség a fiatal kutatói generációnak arra, hogy itthon valósíthassa meg elképzeléseit, így hosszabb távon a Magyarországon művelt tudományos kutatási témák megújulását, korszerűsödését eredményezi" – nyilatkozta az mta.hu-nak Tapasztó Levente. A nyertes pályázó, a Magyar Tudományos Akadémia kiválósági programjának jelentőségét saját kutatásaival érzékeltetve, rámutatott: egy olyan műszerigényes kutatási területen, mint a nanotechnológia, nem könnyű megőrizni a nemzetközi versenyképességet. "Nem vásárolhatjuk meg néhány évenként a csúcsműszereket, helyette az ötletekre épülő kutatási stratégiát kell követni. A program megteremti a lehetőségét, hogy a nagyobb léptékű kutatási elképzeléseket, amelyek megvalósítására eddig főként külföldön volt reális esély, immár itthon is sikerre lehessen vinni. Az alacsony hőmérsékletű pásztázó alagútmikroszkóp például minden korszerű nanotechnológiával foglalkozó kutatóintézetben megtalálható, beleértve közép- és kelet-európai szomszédainkat is. A Lendület-pályázatnak köszönhetően immár itthon is üzembe helyezhetünk egy ilyen berendezést, amely lehetővé teszi a kétdimenziós nanoszerkezetekben fellépő kvantumos jelenségek vizsgálatát" – mondta.

Újszerű, izgalmas viselkedésű anyagok

Kutatási terveit vázolva Tapasztó Levente kiemelte, hogy rendkívüli nanotechnológiai kihívást jelent az új szerkezetű anyagok atomi pontosságú előállítása. "A Lendület program keretében megalakuló kutatócsoportommal olyan speciális szerkezetű új anyagok előállítását és vizsgálatát tűztük ki célul, amelyek létezését még néhány évvel ezelőtt is szinte elképzelhetetlennek tartottuk. Ezek az úgynevezett kétdimenziós kristályok, amelyeknek nem az összetétele, hanem a szerkezete különleges, ugyanis vastagságuk mindössze egyetlen vagy legfeljebb néhány atom átmérőjének felel meg" – magyarázta.

Az anyagoknak tulajdonképpen nincs térfogatuk, csupán felületük, hiszen minden atomjuk a felületükön helyezkedik el. A 2D kristályok olyan tömbi (3D) formában ismert anyagokból állíthatók elő, amelyek réteges szerkezetűek, azaz egy atomsíkon belül erős (kovalens, ionos) kötések hatnak bennük, míg a síkjaik között gyenge (van der Waals-típusú) kölcsönhatás alakul ki.

"A 2D kristályok viselkedésében az az újszerű és izgalmas, hogy tulajdonságaik alapvetően eltérnek az azonos összetételű tömbi anyagokéitól. Az egyik legegyszerűbb példa az ilyen típusú anyagokra a grafit, amelynek egyetlen atom vastagságú rétege, a grafén már széles körben ismertté vált – nem utolsósorban a felfedezőinek 2010-ben odaítélt fizikai Nobel-díjnak köszönhetően. Időközben világossá vált, hogy a grafén csupán az első a többi, nem kevésbé izgalmas 2D anyag sorában, amelyek tulajdonságai nagyrészt még feltáratlanok. Mára már számos anyagot sikerült izolálni 2D formában, mint például a bór-nitridet, illetve az átmenetifém-dikalkogenidek egész sorát, amelyek tömbi formában is érdekes és változatos viselkedést mutatnak. Vannak köztük szigetelő (bór-nitrid), fémes (titán-diszulfid), félvezető (molibdén-diszulfid), szupravezető (nióbium-szelenid) tulajdonságúak, s akadnak olyan különös viselkedést mutató anyagok is, mint a topologikus szigetelők (bizmut-tellurid), amelyeknek térfogata szigetelő, míg a felülete különlegesen jó vezető. Ugyanakkor szinte semmit sem tudunk arról, hogyan változnak meg ezeknek az anyagoknak a tulajdonságai kétdimenziós kristály formájában. Célunk, hogy e sokféle anyagból kétdimenziós kristályokat állítsunk elő, majd szisztematikusan feltérképezzük atomi és elektronszerkezetüket. Várakozásaink szerint tanulmányozásuk során számos alapvetően új fizikai jelenséget ismerhetünk meg, olyanokat, amelyek tömbi alakjukban nem figyelhetők meg. Végső soron olyan újszerű és tervezett elektromos tulajdonságú nanoszerkezeteket szeretnénk létrehozni, amelyek reményeink szerint hosszú távon a jelenleginél lényegesen gyorsabb és kisebb fogyasztású elektronikai eszközökben nyerhetnek alkalmazást" – hangsúlyozta Tapasztó Levente.

Korszerű nanotechnológiai nagyberendezések, több évtizedes kutatási tapasztalat

Tapasztó Levente a befogadó intézmény hozzájárulását ismertetve mindenekelőtt az MTA Természettudományi Kutatóközpont világszínvonalú nanokarakterizációs eszközeihez való hozzáférést emelte ki. A lendületes kutatók használhatják például az MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben található pásztázó alagút- és atomerő-mikroszkópokat, a Raman-spektroszkópia és az elektronsugaras litográfia eszközeit. "Az intézmény jelentős anyagi támogatást nyújt a kutatásokhoz nélkülözhetetlen alacsony hőmérsékletű pásztázó alagútmikroszkóp beszerzéséhez is, a Nanoszerkezetek Kutatócsoportban pedig több évtizedes kutatási tapasztalat halmozódott fel, amely nagymértékben segíti majd a most alakuló lendületes team munkáját" – fogalmazott a nyertes pályázó.

Fiatalokra épülő kutatócsoport, szoros nemzetközi együttműködés

Az újonnan megalakítandó kutatócsoport a fiatal kutatógenerációra épít, tagjai pályájuk valamely szakaszában valamennyien eredményes kutatást folytattak a kapcsolódó témákban. "Célom egy fiatal, de nemzetközi szinten is versenyképes kutatócsoport felépítése, amely szakterülete nemzetközileg is meghatározó tudományos műhelyévé válik" – vázolta elképzeléseit Tapasztó Levente.

A kutatócsoport tagja lesz Magda Gábor PhD-hallgató, akire 2D kristályok előállításában, pásztázó alagút-mikroszkópiás mérésekben, valamint a 2D anyagok atomi pontosságú megmunkálásában számít Tapasztó Levente. Dobrik Gergely végzős PhD-hallgató 2D anyagok pásztázó szondás és Raman-spektroszkópiás vizsgálataiért, valamint atomi pontosságú megmunkálásáért felel majd. Vancsó Péter végzős PhD-hallgató feladata a 2D anyagok és a belőlük kialakított nanostruktúrák elektronszerkezetének elméleti leírása, a transzportfolyamatok szimulálása lesz. Obreczán Vince PhD-hallgató az elektronikai eszközök kialakításával és elektromos tulajdonságaik jellemzésével foglalkozik majd. Mellettük az elképzelések szerint számos hallgató is csatlakozik a csoporthoz TDK-dolgozata, illetve diplomamunkája révén.

"Szoros együttműködést tervezünk Chanyong Hwang dél-koreai professzor kutatócsoportjával (Korean Research Institute for Standards and Science), amely a nemzetközi élvonalba tartozik a grafén és más 2D kristályok előállításában. Kapcsolataink 2010-re nyúlnak vissza, amikor az MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetben nagyrészt dél-koreai finanszírozással megalakult a Koreai-Magyar Közös Nanolabor. Az eredetileg három évre tervezett projektet a sikeres együttműködés eredményeként 2013-ban újabb három évre meghosszabbítottuk, s ebben már – Biró László Péter akadémikussal közösen – magyarországi társ-vezetőkutatóként veszek részt . Ez az együttműködés – beleértve a koreai intézetben meglévő világszínvonalú eszközpark használatát is – nagy segítségére lehet a most alakuló 2D Nanoelektronika Lendület Kutatócsoportnak. Emellett a hazai egyetemek több tudományos műhelyével is együttműködünk, köztük Cserti József professzornak, az MTA doktorának a 2D anyagok tulajdonságainak elméleti leírásával foglalkozó teamjével az ELTE-n vagy Csonka Szabolcs docens kutatócsoportjával a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen, akikkel a grafén-nanoszerkezetek elektromos transzportméréseinek területén tervezünk közös munkát" – foglalta össze elképzeléseit Tapasztó Levente.