Kulatomer organiserer sig på kommando

For at computere og lagringsmedier kan følge med den eksplosive stigning i de datamængder, der skal gemmes og behandles, investerer forskere og virksomheder enorme summer i litografiske processer, som kan skabe ultra-små mønstre til de elektroniske komponenter, som informationssamfundet bygger på. Der er dog en nedre grænse for, hvor små og præcise mønstrene kan blive med de eksisterende teknologier. De ekstreme skriveprocesser har i praksis nået deres grænse, og er stadigt vanskeligere og dyrere at forbedre.

Samtidigt er hver eneste dyr, plante og biologiske organisme et resultat af en helt anden proces, nemlig selvorganisering. Her danner materialerne selv de ønskede strukturer for at finde en form, der koster mindst mulig energi – hurtigt og billigt.

Forskere fra DTU, Århus Universitet, IBM og Brookhaven har for første gang fået selv-organisering til at virke i de tyndeste film, der eksisterer: de todimensionale materialer. Det mest kendte af slagsen er grafen, der udelukkende består af kulstofatomer, og som har fænomenale elektriske egenskaber. Det skaber nyt håb om super-lagringsmedier i uhyre lille skala.

Gennembrud i materialeforskningen

Problemet med de atomtynde lag er, at det meget svært for de selv-organiserende processer at gøre deres arbejde. Luca Camilli fra DTU Nanotech udnyttede sammen med Liv Hornekær’s forskergruppe ved Århus Universitet deres store erfaring med syntese af todimensionelle materialer i kombination med skanning tunnel mikroskopi til at finde en løsning. Den har de fundet nu og Liv Hornekær er begejstret.

”Ved at danne todimensionelle legeringer af bor, nitrogen og kulstof på iridium overflader af høj kvalitet, hjælper overfladen atomerne med at finde sammen i et gitter af kun to nanometer store grafen-øer, og hvor perioden kan blive så lav som fire nanometer. En enkelt ø er dermed blot 15 kulstofatomer bred. En ny teoretisk model udviklet af samarbejdspartner Jerry Tersoff fra IBM indikerer, at netop iridiums indblanding er det, der gør, at det fungerer – og at andre metaller måske kan spille samme rolle.”

Figur 1: Dosering af ethylen og borazin nær en varm iridiumoverflade fører til selvorganisering af en todimensionel struktur af grafen i nano-prikker. Prikkerne er hver ca. 2 nm i diameter og er omgivet af en todimensionel legering af bor-, nitrogen- og kulatomer.

På DTU deler professor Peter Bøggild begejstringen og mener, at der er et stort potentiale i den nye opdagelse.

”Vi ved, at mønstring af tynde film er en af nøglerne til at fremelske helt nye egenskaber, og jeg synes, vi kan tale om et gennembrud her. Vi ved allerede, hvordan vi kan stable materialerne ét lag ad gangen, og nu ser det ud til, at vi også kan mønstre dem i noget, der nærmer sig atomar opløsning. Det bliver spændende at se, hvor langt vi kan nå med denne strategi”.  

Kontrolleret skabelsesproces

Forskerne fandt ud af, at afstanden mellem grafen-øerne kan ”programmeres” ved at kontrollere gaskoncentration og temperatur under dannelsen af de tynde lag. Det åbner helt nye muligheder for den fremtidige fremstilling af litografiske mønstre i nanostørrelse.

Peter Bøggild mener dog, at det stadig er tidligt at sige noget om anvendelser.

”Vi har i bund og grund opdaget en ny måde at kontrollere nanomaterialer på atomar skala. Grafen-øer opfører sig som små kunstige atomer og kan bruges til mange forskellige anvendelser indenfor energisektoren, biosensorer og optoelektronik. Men der, hvor det bliver rigtigt spændende, er, hvis vi kan lære at lave det samme nummer med nogle af de hundredevis af andre atomtynde film, som vi kender i dag – at få dem til at samle sig selv til komplekse strukturer er en hellig gral i dette forskningsfelt,” siger Peter Bøggild.

Forskningen er netop blevet publiceret i tidsskriftet Nature Communications.