Danske forskere har som de første løst en af de største udfordringer med at lave effektiv nanoelektronik baseret på grafen. De nye resultater er netop offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology.
Gennem 15 år har forskere forsøgt at udnytte 'vidundermaterialet' grafen til at fremstille elektronik i nanostørrelse. For på papiret skulle grafen være fantastisk til netop det: Det er ultratyndt – faktisk kun ét atom tykt og derfor todimensionelt, det er fremragende til at lede strøm, og det skulle kunne bruges til helt nye former for elektronik, som er hurtigere og strømbesparende. Tilmed består grafen af kulstofatomer, som vi aldrig kan løbe tør for.
I teorien er grafen lidt af en tusindkunstner. Ved at danne mønstre i nanoskala, kan man lave egenskaberne helt om, så man får den perfekte transistor eller sensor. Samtidig har nanolitografi – kunsten at formgive materialer på lille skala – vist sig at være en af de kraftigste motorer bag den elektronik, der i dag får computere og kommunikationsteknologi til at virke.
Men en ting er teori, noget andet er praksis. Bagsiden af medaljen er, at når grafen netop kun er et atom tyndt, ligger alle atomerne blotlagt til omverden, så de mindste urenheder eller uregelmæssigheder i mønsteret ødelægger det hele.
”Grafen er et fantastisk materiale, som jeg tror, kommer til at spille en helt afgørende rolle i at lave nye former for elektronik. Problemet er bare, at det er forbløffende svært at styre de elektriske egenskaber, når vi laver mønstre i det. Og dermed frarøves vi det allervigtigste værktøj i vores værktøjskasse,” siger Peter Bøggild, som er professor på DTU Fysik og medforfatter til den nye artikel sammen med kolleger fra bl.a. Aalborg Universitet.
Forbløffende vanskeligt
På grundforskningscenteret Center for Nanostructured Graphene, har en af de helt store opgaver siden centerets start i 2012 været at studere, designe og tilpasse de elektriske egenskaber af nanostruktureret grafen. Det har vist sig at være forbløffende vanskeligt, da selv små variationer, fejl og urenheder har ødelæggende indvirkning på egenskaberne, og dette er en af de største forhindringer for at gøre nanoelektronisk grafen til virkelighed.
”Når du laver mønstre i et materiale, så ændrer du dets egenskaber. Men det, vi har set gennem mange år, er, at selvom vores grafen ser fin ud på billeder, så er der nok ruhed af kanterne til, at materialet ikke længere opfører sig som grafen. Det svarer lidt til at lave et meget fint vandrør, der på grund af for grove fremstillingsprocesser ender med at være tilstoppet. Det ligner et vandrør udenpå, men vandet kan kun sive igennem, ikke løbe frit. For nanoelektronik er det katastrofalt,” fortæller Peter Bøggild.
Stor præcision
Forskerne har nu løst problemet. Resultaterne er publiceret i Nature Nanotechnology. Metoden, som er udviklet af to postdocs fra DTU Fysik, Bjarke Jessen og Lene Gammelgaard, er baseret på at pakke grafen ind i heksagonalt bor-nitrid, som er kendt for at give den bedste beskyttelse af de elektriske egenskaber. Heksagonalt bor-nitrid minder meget om grafen, men er en elektrisk isolator.
Dernæst blev der meget nænsomt ætset meget små og tætsiddende huller i grafenen igennem det beskyttende lag af bor-nitrid. Hullerne har en diameter på ca. 20 nanometer med en afstand på ca. 12 nanometer. Det lykkedes til sidst forskerne at få ruheden på kanterne ned til en nanometer. (1 nanometer = 1 milliardtedel af en meter – red.). Den store præcision gør det muligt at sende strøm igennem, som er 100-1000 gange højere end den, man normalt opnår for så små strukturer.
”Vi har vist, at vi med fuld kontrol kan ændre, hvordan grafen opfører sig. Vi kan styre grafens båndstruktur og for første gang designe avancerede kvante-elektroniske komponenter, som vi kan forvente, vil virke i praksis. Men det går videre end det. Med kontrol over båndstrukturen har vi også adgang til at styre de optiske egenskaber. Så nu kan vi sidde foran computeren og drømme os til, hvad vi vil have – og så gå i laboratoriet og lave det i praksis,” siger Peter Bøggild og fortsætter:
”Mange forskere havde for længst opgivet at lave nanolitografi i grafen på denne skala, og det er noget af en 'roadblock' i forhold til grafens potentiale for at levere fremtidens elektronik. Nu har de unge forskere i mit team fundet ud af, hvordan det kan gøres – så man kan sige, at forbandelsen er brudt. Der er mange andre udfordringer, men det, at vi nu kan skræddersy grafens elektroniske egenskaber, er et stort skridt på vejen til at skabe ny elektronik i ekstremt små dimensioner.”
Verdens tyndeste materiale. Grafen er blot ét kulstofatom tykt, og en enkelt flage grafen måler 0,34 nanometer. Det er så tyndt, at man skal lægge 300.000 flager oven på hinanden, før det bliver ligeså tykt som et stykke papir, og med bare ét gram grafen kan man dække en hel fodboldbane.
Gennemsigtigt.Grafen er så tyndt, at kun 2,3 procent af lyset absorberes i grafen. Derfor kan man se lige igennem materialet.
Uigennemtrængeligt for gasser. Selv de mindste gasmolekyler kan ikke trænge igennem grafens fintmaskede gitter af kulstofatomer.
Super stærkt i forhold til sin tykkelse - faktisk 200 gange stærkere end stål. Hvis man bygger en hængekøje af et én kvadratmeter stort stykke grafen, kan den bære en fire kg tung kat – vel at mærke selvom selve hængekøjen vejer mindre end et af kattens knurhår.
En enormt god elektrisk leder. Grafens todimensionelle struktur gør, at elektronerne bevæger sig så let mellem kulstofatomerne, at grafen leder elektricitet langt bedre end kobber. Ved stuetemperatur kan elektroner bevæge sig 40 nanometer i kobber, inden de ændrer retning; for grafen er tallet over 50 gange højere.
En fremragende varmeleder.Grafen er ti gange bedre til at sende varme videre end kobber.
Fleksibelt. Grafen kan foldes, strækkes og bøjes uden at gå i stykker.
Kilde: Videnskab.dk