Je zou kunnen denken dat zo'n nieuw 'wondermateriaal' buiten je dagelijkse ervaring zou liggen, maar grafeen is de uitzondering. Als je schrijft of tekent met een potlood, het grafiet (de 'lood' van het potlood) glijdt er in dunne lagen af ​​en laat een spoor achter - de lijn op het papier. Het vermogen van koolstof om een ​​dunne laag moleculen te vormen, is wat grafeen speciaal maakt - en wetenschappers beginnen de mogelijkheden te verkennen voor elektronica en het berekenen van koolstofrasters die slechts één molecuul dik zijn.

De halfgeleiderindustrie vormt de basis van de hedendaagse hightech-economie, direct ondersteunen van meer dan 100, 000 banen in Europa, en indirect nog meer. Dit is bereikt door voortgaande miniaturisatie in 'Complementaire metaaloxide-halfgeleider' (CMOS)-technologie, op basis van silicium. Maar dit model gaat nog maar 10 of 15 jaar mee.

De grote uitdaging voor de ICT-industrie is om alternatieven te vinden voor informatieverwerking en -opslag die verder gaan dan de bestaande CMOS. Er zijn goede aanwijzingen dat grafeen een uitstekende kandidaat is voor "Beyond CMOS"-componenten, en is, ondanks zijn revolutionaire karakter, complementair aan conventionele CMOS-technologieën.

Grafeen is het onderwerp geweest van een wetenschappelijke explosie sinds de baanbrekende experimenten met dit nieuwe materiaal minder dan 10 jaar geleden, erkend door de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2010 toegekend aan professor Andre Geim en professor Kostya Novoselov, aan de Universiteit van Manchester. De opmerkelijke elektrische eigenschappen van grafeen kunnen de fysieke limieten waarmee silicium wordt geconfronteerd, overwinnen naarmate transistors krimpen tot steeds kleinere afmetingen - wat oplossingen biedt voor het "Beyond CMOS"-tijdperk, die nodig zijn om de uitdagingen van de mondiale concurrentie het hoofd te bieden.

Door meerdere disciplines samen te brengen en onderzoek over een hele reeks problemen aan te pakken, van het fundamentele begrip van materiaaleigenschappen tot de productie van grafeen, het vlaggenschip GRAPHENE werd gelanceerd in oktober 2013. Het voorgestelde onderzoek omvat elektronica, spintronica, fotonica, plasmonica en mechanica - allemaal gebaseerd op grafeen.

Onder leiding van professor Jari Kinaret, van de Zweedse Chalmers University, het vlaggenschip omvat meer dan 126 academische en industriële onderzoeksgroepen in 17 Europese landen, met 136 hoofdonderzoekers, waaronder vier Nobelprijswinnaars. Met een initieel 30-maandenbudget van 54 miljoen euro, het GRAPHENE-consortium zal uitgroeien tot nog eens 20-30 groepen via een open oproep voor projectvoorstellen in november, met een waarde van in totaal 9 miljoen euro.

'Grafeenproductie staat uiteraard centraal in ons project, ' zei Prof. Kinaret bij de lancering, maar de belangrijkste toepassingen die moeten worden bekeken, zijn onder meer snelle elektronische en optische apparaten, flexibele elektronica, functionele lichtgewicht componenten en geavanceerde batterijen. Voorbeelden van nieuwe producten die mogelijk worden gemaakt door grafeentechnologieën zijn snelle, flexibele en sterke consumentenelektronica, zoals elektronisch papier en buigbare persoonlijke communicatieapparatuur, evenals lichtere en energiezuinigere vliegtuigen. Op langere termijn, grafeen zal naar verwachting aanleiding geven tot nieuwe computationele paradigma's en revolutionaire medische toepassingen, zoals kunstmatige netvliezen.

Zeilen:grafeen als FET-vlaggenschip

Door de vicevoorzitter van de Europese Commissie Neelie Kroes omschreven als een 'gedurfde onderneming', de vlaggenschepen 'Toekomstige en opkomende technologieën' (FET) zijn visionair, grootschalige, wetenschappelijk gestuurde onderzoeksinitiatieven die wetenschappelijke en technologische uitdagingen in verschillende wetenschappelijke disciplines aanpakken. Deze nieuwe instrumenten in de onderzoeksfinanciering van de EU bevorderen gecoördineerde inspanningen tussen de nationale en regionale programma's van de EU en haar lidstaten, zijn zeer ambitieus, en vertrouwen op samenwerking tussen verschillende disciplines, gemeenschappen en programma's - die tot 10 jaar ondersteuning nodig hebben. Na de opstartfase, loopt tot maart 2016 in het kader van het huidige 'Zevende Kaderprogramma' van de EU voor onderzoek (KP7), het werk zal worden voortgezet in het kader van het volgende programma, 'Horizon 2020', met een verwachte 50 miljoen euro per jaar voor het Flagship-project.

Grafeen werd gekozen als vlaggenschip na een wedstrijd tussen zes proefprojecten om de gebieden met het grootste potentieel voor duurzame investeringen te onderzoeken. Zoals mevrouw Kroes al zei:'Europa's positie als kennissupermacht hangt af van het ondenkbare denken en het benutten van de beste ideeën. Deze miljardenwedstrijd beloont wetenschappelijke doorbraken van eigen bodem en laat zien dat als we ambitieus zijn, we het beste onderzoek in Europa kunnen ontwikkelen.'

De vlaggenschippiloot voor grafeen, het GRAPHENE-CA-project, onderzocht hoe ontwikkelingen in dit op koolstof gebaseerde materiaal een revolutie teweeg kunnen brengen in ICT en de industrie. Het proefproject heeft een uitgebreide wetenschappelijke en technologische routekaart opgesteld om als basis te dienen voor de onderzoeksagenda van het GRAPHENE-vlaggenschip - met betrekking tot elektronica, spintronica, fotonica, plasmonica en mechanica, en ondersteunende gebieden zoals grafeenproductie en chemie. En dit was de basis waarop het werd geselecteerd.

Nu is het vlaggenschip in de lucht, het omvat al een onderzoeksteam van duizelingwekkende omvang. Er zijn universiteiten uit Leuven in België, Aalto in Finland, Rijsel en Straatsburg in Frankrijk, Bremen, Chemnitz, Dresden en Hamburg in Duitsland, Ioannina in Griekenland, Dublin in Ierland, Triëst in Italië, Minho in Portugal, Barcelona en Castilla-La Mancha in Spanje, Bazel, Genève en Zürich in Zwitserland, Delft en Groningen in Nederland, en Cambridge, Manchester en Oxford in het Verenigd Koninkrijk. Deze worden aangevuld met hogescholen en technologische instituten uit Oostenrijk, Denemarken, Frankrijk, Duitsland, Griekenland, Italië, Polen, Spanje, Zweden en Zwitserland. In aanvulling, er zijn industriële partners zoals Nokia, Thales, Alcatel Lucent, Philips-technologie, Airbus en ST Micro-elektronica. En deze lijst omvat slechts een deel van de deelnemende organisaties.

Hun missie is om grafeen te nemen, en aanverwante gelaagde materialen, van de academische laboratoria tot de samenleving - een revolutie teweeggebracht in meerdere industrieën en het creëren van economische groei en nieuwe banen in Europa.

'De Commissie, en alle academische en industriële partners van het Graphene Flagship, zitten hier allemaal samen in. Het is een ongewoon lange termijn verbintenis, en er zullen uitdagingen zijn, laten we daar duidelijk over zijn, ' zei Carl-Christian Buhr, kabinetslid van mevrouw Kroes. 'We moeten de industrie zo binnenhalen dat ideeën worden opgepakt en leiden tot nieuwe producten en markten. Dat is het hele idee van het Flagship.'

Inderdaad, het omvat een uitgebreide reeks aanvullende activiteiten om dit te bereiken, zoals:

Een ERA-NET type project, VLAG-ERA, om het vlaggenschip te ondersteunen bij de coördinatie van nationale onderzoeksinitiatieven op het gebied van grafeen.

• Een reeks initiatieven gericht op het verspreiden van kennis over grafeen naar de rest van de wereld. De grafeenweek, bijvoorbeeld, is een jaarlijks forum dat honderden onderzoekers samenbrengt om hun nieuwste ontwikkelingen in verschillende disciplines te delen - de volgende zal worden gehouden in Göteborg, Zweden, in juni 2014. Het wil een 'bijeenkomst van de grafeenstam' zijn, waar discussies over fundamentele wetenschap spannende nieuwe toepassingen kunnen ontmoeten.
• Graphene Connect is een interactieplatform voor de academische wereld en bedrijven die wetenschappers stimuleren om buiten de gebaande paden te denken en industrieën om eindgebruikersproducten op basis van grafeen te ontwikkelen - dit omvat een aantal industriële workshops, en sessies voor business angels, ondernemers en durfkapitalisten om potentiële investeringsmogelijkheden voor grafeen te bespreken.
• Graphene Study is een Europese winterschool over grafeen die zal helpen een nieuwe generatie grafeenonderzoekers op te bouwen, evenals nieuwe directe communicatiekanalen tussen jonge onderzoekers en spelers uit de academische wereld. De eerste wordt gehouden in de Oostenrijkse Alpen, op 2-7 februari 2014.

Vroege resultaten

Een deel van het eerder gefinancierde grafeenonderzoek van de EU levert al resultaat op. Het GRAND (4)-project, die eindigde in december 2010, onderzocht of grafeen nog steeds zijn wonderen zou doen als het werd geïntegreerd met het silicium CMOS-proces.

Onder leiding van AMO in Duitsland, het projectteam ging op zoek naar de vraag of grafeen de conventionele halfgeleidertechnologie echt in het "Beyond CMOS"-tijdperk zou kunnen brengen. Het GRAND-consortium ontwikkelde manieren om 2-dimensionale grafeen-nanostructuren (met een breedte van slechts 5 nm) te fabriceren voor gebruik in elektronische componenten. Het was belangrijk om aan te tonen dat dergelijke componenten niet alleen konden functioneren, maar dat ze konden worden vervaardigd op een manier die kon worden opgeschaald naar industriële hoeveelheden.

Als resultaat, het team ontwierp een nieuw type transistor - met het concept gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven - dat nieuwe routes zou kunnen openen voor op grafeen gebaseerde elektronische en opto-elektronische apparaten met hoge snelheid.

Als onderdeel van het GRAND-project, grafeen is ook geïntegreerd in een niet-vluchtig geheugenapparaat dat kan worden verkleind tot moleculaire afmetingen - een grafeengeheugen van slechts 1 x 1 nm dat de informatie die erin is opgeslagen, behoudt, zelfs wanneer de stroom is uitgeschakeld. Het team heeft meer dan 10 van dergelijke apparaten gefabriceerd, wat hun schaalbaarheid aangeeft.

Onder leiding van de Chalmers University of Technology, Zweden, het CONCEPTGRAPHENE-project was bedoeld om het potentieel van het afzetten van een dunne laag grafeen op een siliciumcarbide (SiC) -basis te ontsluiten - met als doel schaalbare elektronica te ontwikkelen met mogelijke toepassingen in 'spintronica' en ultranauwkeurige meetapparatuur. Het team werkte aan het vervaardigen van grootschalige grafeenwafels waarmee elektronische apparaten met een hoge dichtheid op een enkele siliciumwafel kunnen worden vervaardigd. Dit type technologie is nodig voor grootschalige industriële productie van op grafeen gebaseerde componenten en apparaten op een manier die compatibel is met de huidige industriële technieken.

Na in september 2013 te zijn geëindigd, het project lanceerde een start-up bedrijf dat grafeenwafels gaat produceren. Graphensic AB is gevestigd in Linköping, Zweden. Het bedrijf is een spin-off van de Universiteit van Linköping en produceert hoogwaardige, zeer uniform, grafeen op siliciumcarbide (SiC) met behulp van een gepatenteerd 'Hoge temperatuur grafeenproces' - een groeimethode die een dunne laag grafeen produceert, zelfs een enkele laag atomen, op SiC.

Meer waar dat vandaan kwam

Maar grafeen is niet het enige innovatieve materiaal dat elektronica zou kunnen transformeren - het 2D-NANOLATTICES-project, eindigend in mei 2014, werkt aan andere grafietachtige moleculaire roosterstructuren op basis van verschillende elementen. Deze 'nanolattices' hebben ook een groot potentieel om de weg vrij te maken voor steeds kleinere, en krachtiger, nano-elektronische apparaten. Vooral, 'siliceen' (of 'germaneen'), het silicium- of germaniumequivalent van grafeen, als ze bestaan, kan een betere compatibiliteit bieden met siliciumverwerking.

Onder leiding van het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek 'Demokritos', in Griekenland, the project team aims to find ways to induce and stabilise the silicon and germanium and prove for the first time that silicene has a physical existence. By producing alternating layers weakly bonded between one another, each consisting of a single layer of atoms, this new material could serve as the elements of gates and other components in new, miniaturised 2D semiconductors.

Perhaps we are still in the early stages, but these look to be the first steps in a transformation of the way electronics devices are made - and in their abilities - with the potential to similarly transform the European high-tech industry and economy.