CNG løser som de første en af de største udfordringer ved grafenbaseret nanoelektronik

21. februar 2019

Forskere fra DG’s Center for Nanostructured Graphene (CNG) har i samarbejde med forskere fra Japan for første gang løst en af de største udfordringer ved at fremstille nanoelektronik baseret på vidundermaterialet grafen. Resultaterne er for nylig offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift, Nature Nanotechnology.

Grafik: Carl Otto Moesgaard
Grafik: Carl Otto Moesgaard

I et nyt studie publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology har et forskerhold fra grundforskningscenteret CNG i samarbejde med forskere fra National Institute for Materials Science, Japan, som de første løst en af de største udfordringer med at fremstille effektiv nanoelektronik baseret på vidundermaterialet grafen. Problemet er, at materialets egenskaber er sårbare og letpåvirkelige overfor uregelmæssigheder, som opstår i arbejdet med udnyttelsen af grafen, men to postdocs fra CNG har nu fundet ud af, hvordan man kommer udenom problemet.

Selv vidundermaterialer har en bagside

Grafen er det tyndeste kendte materiale og består af ét lag af kulstof-atomer arrangeret i et heksagonalt gitter. Materialet betragtes som et ”vidundermateriale”, fordi det både er transparent, 200 gange stærkere end stål i forhold til sin tykkelse, og en fantastisk leder af varme og elektricitet. Det ultratynde, todimensionelle materiales egenskaber betyder, at grafen i teorien er ideelt til blandt andet at skabe nye former for elektronik, som både er hurtigere og mere strømbesparende end det, vi kender i dag. Derfor har forskere de seneste 15 år forsøgt at udnytte dette vidundermateriale til fremstillingen af elektronik i nanoskala. Men selv vidundermaterialer kan have en bagside.

”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,” fortæller Peter Bøggild, som er professor ved CNG og sidsteforfatter til den nye artikel.

Ved at danne mønstre i nanoskala, kan man skræddersy egenskaberne i grafen, så man får den ideelle transistor eller sensor. Samtidig har nanolitografi – formgivningen af materialer på nanoskala – vist sig at være en af de kraftigste motorer bag den elektronik, der i dag får computere og kommunikationsteknologi til at virke. Men da grafen netop er så ultratyndt, er alle atomerne både meget vigtige og fuldkommen blottede, hvilket betyder, at selv de mindste urenheder eller uregelmæssigheder i mønsteret kan ødelægge materialets egenskaber.

”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,” forklarer Bøggild.

Postdocs bryder nanoelektronisk forbandelse

Men nu ser problemet ud til at være løst. Takket være en metode, udviklet af to postdocs fra CNG, Bjarke Jessen og Lene Gammelgaard, kan forskerne indhylle grafen ind i såkaldt heksagonalt bor-nitrid – et andet todimensionelt materiale, som er en elektrisk isolator og ofte bruges til at beskytte grafens egenskaber.

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. 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 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.”

Læs mere om det nye studie i en pressemeddelelse fra DTU her.

Læs den videnskabelige artikel i Nature Nanotechnology her.