Atomtynde materialer kan føre til helt ny elektronik

Med opdagelsen af grafen for ti år siden lød startskuddet for en revo­lution inden for materialeforskning. Dengang fandt fysikere fra University of Manchester i England ud af, hvordan man kan isolere atomtynde lag af kulstofatomer, der er bundet sammen i et hønsenetlignende mønster. Grafen viste sig at have nogle uhyre spændende egenskaber – det er mekanisk stærkt, gennemsigtigt og en fantastisk leder af elektrisk strøm såvel som af varme – og jagten efter lignende materialer gik ind.

Siden er nye såkaldte 2D-materialer kommet til. Grafen er stadig kongen, men flere materialer står på lur for at overtage tronen. De teoretiske fysikere forsøger at finde frem til atomer eller molekyler, der kan lokkes til at danne et stabilt todimensionalt gitter, og de prøver at regne sig frem til egenskaberne for sådanne materialer. Og så er det op til eksperimentalfysikerne at fremstille materialerne og tjekke, om teorierne holder, eller om de nye 2D-materialer gemmer på overraskelser.

De tyndeste halvledere

I sidste måned lykkedes det for eksempel forskere fra University of Liverpool i England at fremstille store flager af et 2D-materiale kaldet triazin-baseret grafitisk carbonnitrid (TGCN). Det minder om grafen, men med mange af kulstofatomerne erstattet af kvælstofatomer. Eksistensen af materialet blev forudsagt tilbage i 1996, men først nu er det blevet til virkelighed.

I modsætning til grafen, der er metallisk, er TGCN en halvleder, og det gør materialet særligt interessant. En 2D-halvleder kan nemlig bruges til transistorer i nanostørrelse, så computerchips kan blive mere kompakte, hurtigere og mindre strømslugende. Materialet kan måske også anvendes til en ny generation af solceller, lysdetektorer og lysdioder.

Og TGCN er ikke den eneste todimensionale halvleder, der er dukket op i laboratorierne. Der er store forventninger til overgangsmetal-dichalkogenider, hvor et metal som molybdæn eller wolfram kan danne 2D-gitre i kombination med svovl eller selen. Flere forskellige forskergrupper har demonstreret, hvordan 2D-materialet wolframdiselenid kan bruges til verdens tyndeste lysdioder og solceller, og rundt omkring i verden eksperimenterer forskerne med at kombinere de atomtynde halvledere med grafen, der er elektrisk ledende, og med 2D-isolatorer som bor-nitrid.

Fysikerne har også fundet frem til todimensionale topologiske isolatorer, hvis kanter er perfekte elektriske ledere, mens det indre af materialerne ikke leder strøm. En kvantemekanisk effekt kaldet kvante-­spin-Hall-effekten sørger for, at elektroner kan bevæge sig frit og uden tab af energi langs kanten af disse forunderlige materialer, og de kan kun bevæge sig i én retning.

Aarhus Universitet er i front

Forskningsfeltet er stadig ganske ungt, og der er nok at kaste sig over for fysikerne. Ikke mindst på Aarhus Universitet er de da også i fuld gang med at studere 2D-materialer i teori og praksis, og professor Philip Hofmann fra Institut for Fysik og Astronomi kunne rigtig godt tænke sig at blive leder af et nyt grundforskningscenter – et Center of Excellence – med de ultratynde materialer som omdrejningspunkt.

»Vi har indsendt en ansøgning til Danmarks Grundforskningsfond, og vi er kommet i anden runde. Der er omkring 30 ansøgere tilbage i opløbet, og der er penge til 7-8 nye grundforskningscentre. Beslutningen fra Grundforskningsfonden kommer til oktober,« fortæller Philip Hofmann.

2D-materialer kan fremstilles på to forskellige måder. Enten kan man pille et todimensionalt lag af en tredimensional krystal, eller også kan man bygge dem helt fra bunden. Det er den sidstnævnte metode, de bruger på Aarhus Universitet, hvor de er gode til at syntetisere 2D-materialer på overflader.

»Vi vil prøve at danne todimensionale materialer, der ikke findes i naturen,« siger Philip Hofmann.

»Det kunne for eksempel være silicen – atomtynde lag af silicium – eller måske metalorganiske forbindelser. I teorien kan store organiske molekyler bindes sammen af metal­atomer og danne todimensionale topologiske isolatorer – det vil vi gerne forsøge at gøre i praksis.«

»I teorien er sådan nogle metal­organiske 2D-materialer ret stabile. Men den største fordel er, at friheden i organisk kemi er så stor. Man kan få en kemiker til at syntetisere organiske molekyler med præcis de egenskaber, man ønsker, og så forbinder man dem med metalatomerne og konstruerer det materiale, man er interesseret i.«

Det er dog ikke nok at fremstille et nyt 2D-materiale. Man skal også være i stand til at undersøge det i detaljer og finde frem til dets egenskaber. Her har forskerne på Aarhus Universitet en fordel:

»Vi er så heldige, at vi nu har ASTRID2, den nye danske synkrotronstrålingskilde. Det giver os fantastiske muligheder for at undersøge materialerne, efterhånden som vi fremstiller dem,« siger Philip Hofmann.

»Vi kan bruge ASTRID2 til at kigge på den elektroniske struktur af 2D-materialerne. Vi kan se, om materialet har direkte eller indirekte båndgab, og vi kan afsløre elektronernes levetid. Med ASTRID2 står vi stærkt i konkurrencen, for der er kun to andre universiteter i verden, der har deres egen synkrotronstrålingskilde, og vores er den mest moderne.«

Nye former for elektronik

De nye 2D-materialer kan ikke bare bruges til at forbedre elektronik, som vi kender det. Potentialet er endnu større, fortæller Philip Hofmann:

»Det mest spændende ved 2D-materialer er, at de kan føre til helt nye former for elektronik. Vi rammer snart en grænse for, hvor små tingene kan blive, så det gælder om at finde fundamentalt nye veje til computing. De todimensionale materialer kan være vejen frem.«

I almindelig elektronik bæres informationen af elektriske ladninger. Tilstedeværelsen eller fraværet af en ladning afgør værdien af hver enkelt bit – 0 eller 1. Men med andre slags elektronik, der bliver mulige i todimensionale materialer, kan man måske udnytte elektronernes ekstra frihedsgrader:

»Vi snakker ikke kun spintronics, hvor man lagrer og bearbejder data ved at styre elektronernes spin, men også valleytronics, hvor man kan udnytte forskellige minima i valensbåndet – forskellige ‘valleys’. Måske kan man excitere elektroner i den ene eller den anden valley og gemme eller transmittere information på den måde. Og i todimensionale dobbeltlag kan man måske gemme information ved at lokalisere elektroner i d en øverste eller nederste del – det er endnu en frihedsgrad og en form for elektronik, vi kan kalde layertronics,« lyder det fra Philip Hofmann.

Hvad enten det gælder lynhurtige computerchips, effektive solceller, atomtynde lysdioder til fleksible displays, ultrafølsomme sensorer eller elektroder til batterier, kan fremtiden tilhøre de todimensionale materialer. De er værd at holde øje med.