Forskning gør produktion af halvledere lettere

Ny forskning kan gøre produktionen af halvledere hurtigere. Her et billede fra verdens største producent af mikrochips, TSMC. Illustration: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd

Ved at stable ekstremt tynde lag af et materiale oven på hinanden, kan man lave nye materialer med nye egenskaber. Men selv de mest succesfulde metoder er enormt besværlige, uperfekte og egner sig slet ikke til stor-skala produktion.

Nu har en gruppe forskere fra Stanford tilsyneladende lavet en simplere og hurtigere måde at gøre det på, og det kan være et skridt på vej til at løse mikrochipkrisen, der har ramt de globale forsyningskæder i stort set alle industrier - blandt andet er bilproduktionen ramt hårdt.

Læs også: Europa afhængig af USA og Asien: Nu skal vi finde den dyre vej mod teknologisk suverænitet

Vægtstangsformede molekyler badet i vand

Forskerne er lykkedes med at gro 2D-lag bestående af det eftertragtede materiale perovskit flettet sammen med tynde lag af andre materialer i krystaller, der samler sig selv. Det foregår i små beholdere, hvor de kemiske ingredienser tumler rundt i vand.

Vægtstangsformede molekyler styrer slagets gang. Hver ende af molekylerne bærer nemlig på en skabelon for hver af de to lag. Som lagene begynder at krystallisere, kæder vægtstængerne dem automatisk sammen i den rette rækkefølge. Denne krystalliseringsproces starter automatisk.

Hemamala Karunadasa, der ledte efterforskningen, ser muligheder for at udvide forskningen til en bred vifte af materialer.

»I stedet for at manipulere ét lag af gangen, kan vi nu smide ionerne ned i vandet og lade ionerne samle sig, som de vil samles,« udtaler hun i en pressemeddelelse. »Vi kan lave gram af det her, og vi ved, hvor atomerne befinder sig i krystallerne. Det niveau af præcision gør det nemmere for mig at vide, hvordan grænsefladen mellem lagene rent faktisk ser ud, hvilket er vigtigt i forhold til at kunne afgøre materialernes elektriske struktur - hvordan elektronerne opfører sig.«

Ustabilt materiale

Haloide perovkiter - materialer der har samme oktaedriske struktur som naturligt forekomne perovskit mineraler - er blevet lavet i vand siden 1900-tallet. De har potentiale til effektivt at absorbere sollys i solceller og konvertere det til elektricitet, men de er også notorisk ustabile - særligt i varme, stærkt oplyste miljøer, som fotovoltaik (omdannelsen af lys til elektrisk energi) sker i.

Ved at lagre perovkitter med andre materialer, kan man muligvis kombinere deres egenskaber, der kan forbedre deres effektivitet til specifikke formål. Men helt nye og uventede egenskaber kan opstå i grænsefladen, hvor lagene mødes. For eksempel har forskere tidligere opdaget, at man ved at stable tynde lag af to forskellige typer isolatorer kan skabe en elektrisk leder.

Men udfordringen har været, at man ikke har kunnet forudse, hvilke kombinationer har ledt til interessante resultater, og at processen er ekstremt langsommelig og besværlig.

»Det er enormt specialiseret arbejde at skrælle lag med en tykkelse på én eller to atomer af,« fortæller Karunadasa. »Det er ikke noget, du eller jeg bare kan gå ind i et laboratorium og gøre.«

Som at lave slik

Men over en årrække udviklede forskerne en ny metode, der var betydeligt mere effektiv. De opdagede, at de atomtynde lag havde samme struktur som 3D-blokke af lignende materialer, hvis egenskaber allerede var kendte, og de undersøgte, hvordan de to forskellige lag skal være en smule forvrænget for at dele grænseflade.

Forskerne sammenligner processen med den, man bruger, når man laver det amerikanske slik pop rocks. Her dypper man en træpind ned i en mættet sukkeropløsning, hvorefter de sukkerholdige krystaller automatisk former sig på træpinden. Men i forskernes tilfælde er materialerne betydeligt anderledes, og man behøver ikke en træpind, da krystallerne automatisk former sig i vandet.

Forskningsholdet har lavet seks materialer, hvor de har blandet perovkitter med metalhalioder eller metalsulfider, og analyserede dem med røgtenstråler.

I de fleste strukturer holder vægtstangsmolekylerne lagene en smule adskilt. Men i et af materialerne skabte molekylerne i de to lag direkte kontakt med hinanden, så de kunne skabe kemiske forbindelser.

Og det er dét materiale, forskerne er mest henrykte over:

»Når vi påfører materialet lys for at frigive elektroner og skabe positivt ladede huller, var elektronerne oftest i ét type lag og hullerne i det andet. Det er vigtigt, fordi det lader os fintune de to miljøer til at have den elektroniske opførsel, vi vil have,« fortæller Karunadasa.

Nu skal forskerne i gang med at undersøge, hvilke andre strukturer de kan skabe med denne metode.

Forskningen er udgivet i det naturvidenskabelige tidsskrift Nature.

Emner : Chips