Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.
supermaterialer bloghoved

Feynmans vision: sådan bygger man materialer et atomlag af gangen

For 12 år siden landede "grafen" som et meteornedslag et sted mellem nanoteknologi, fysik, kemi og materialeforskning. Et materiale der nådesløst udraderer mindst 10 rekorder: stærkeste, bedste elektriske leder, bedste varmeleder, mest bøjelige, mest uigennemtrængelige, mest elastiske krystal og så videre. Det fik ingeniører og industrifolk op af stolene. Hvad måske er (endnu) mere interessant er at det er et futuristisk materiale, der udfordrer os på mange niveauer. Elektroner i grafen opfører sig som om de er fotoner med en ladning, og dette give fantastisk spændende muligheder for at bygge elektronik og optoelektronik på helt nye principper. Det "futuristiske" implicerer at det måske bliver vigtigt nu, men kommer til at spille en hovedrolle på et ikke nærmere bestemt tidspunkt i fremtiden. Der er simpelthen et sådan væld af nye fysiske effekter og fænomener - som ingeniørvidenskab jo bygger på - at det ville være en hån mod ingeniørstandens "ingenuity" hvis ikke de - eller vi - finder ud af at lave noget spændende og vigtigt med det.

Den berømte amerikanske fysiker Richard Feynman forestillede sig i 1959 at man ville kunne få en uhørt frihed til at designe teknologi hvis man kunne manipulere materialer på atomart plan. Det kan vi nu. Lad os lige dvæle ved det - hvad der er specielt ved at noget er "atomtyndt".

Hardcore nanomateriale

Grafen er først og fremmest et hardcore nanomateriale - kun 1 atom tyndt - og det er den største nyhed af alle, for det er en FUNDAMENTAL forskel. Det er ikke bare et spørgsmål om at erstatte silicium med noget der er lidt eller meget bedre, det er en hel ny klasse af materialer.

Lad mig give et eksempel.

En kobber krystal er en krystal indeni, men ikke ved kanten. I det øjeblik man laver en brudflade, ændrer man jo krystalstrukturen og laver en... overflade. Man kan altså ikke "røre" ved en kobber krystal, for i det øjeblik man laver fysisk kontakt har man per definition ikke længere en kobber krystal, men overfladen af en kobber krystal. Det vil sige at "bulk" - det indre og egentlige materiale - kan ikke røre ved hinanden, aldrig nogensinde, hvis de er tredimensionelle.

For 2D materialer er det anderledes. Grafen er et atomtyndt lag af kulstof atomer, og man kan sagtens "røre" ved de enkelte atomer UDEN at ødelægge krystallen og dens egenskaber ved at skære den op. Ved at lave en "overflade". Pudsigt nok er "overfladen" af en 2D krystal en 1D række af atomer - en "linie", istedet for en flade.

Illustration: Privatfoto

Hvad betyder det at et materiale er todimensionalt

  • Grafen er et unikt og fantastisk materialer med vanvittige egenskaber - men det mest specielle er faktisk dets form.
  • Grafen er IKKE det eneste 2D materiale. Far from it. Der er en kæmpestor familie af *andre *lagdelte materialer, der ligesom grafen kan barberes helt ned til 1 eller 2 atomer tynde lag. Der ser ud til at være over 2500 forskellige, efter seneste optællng! 2500!!!!!!! Superledere, halvledere, isolatorer, direkte båndgap, indirekte båndgap, magnetiske, ikke magnetiske, reaktive, ikke-reaktive... det er næsten for meget. Det ER for meget.
  • Disse lag kan altså bringes i direkte kontakt med hinanden UDEN at krystalstrukturen brydes. Det er en helt, helt, helt ny situation indenfor materialer og syntese.
  • Når man lægger lagene ovenpå hinanden får man nye kombinatoriske materialer, der på afstand virker som 1 stadig meget tynd film, men kan have egenskaber der kan skræddersys til at lade elektroner passere gennem grafen meget nemt, til at lave supereffektive solceller eller lysdioder og alt muligt vi allerede har.

Navnet på vores grundforskningscenter, Center for Nanostructured **Graphene **(CNG) - afspejler at vi dengang vi startede centeret - ligesom alle andre - helt havde undervurderet hvor vigtige grafens fætre og kusiner ville ende med at blive. Sådan er forskning, heldigvis. Vi lærer hele tiden noget nyt.

Min kollega Kristian Thygesen fra CNG kortlægger hundredevis af de mest lovende 2D materialers egenskaber. For hvad nytter det at have 2000 legoklodser der kan kombineres frit, hvis ikke vi ved hvilke der duer ... og ikke duer sammen? [Link: Atomlagenes database) eller hans foredrag fra Carbonhagen (computational design of van der Waals heterostructures

Kan jeg give en masse eksempler på teknologi ingen før har tænkt på, og som man kan fremstille ved at vælge hver enkelt atomlag fuldstændigt frit? Nej, desværre. Ikke endnu. De eksempler der kendes er spændende, men ligner kendt teknologi: solceller, lysdioder, sensorer, transistorer etc. For at lave næste-generations teknologi med disse næste-generations materialer - skal der ikke bare tænkes ud af boksen, men tænkes på design i et koordinatsystem hvor der er 1 dimension mindre end den verden vi er vokset op i og uddannet til at manipulere og studere.

Nanomanipulation - en ny værktøjskasse

Så hvordan lægger man egentlig atomart tynde lag ovenpå hinanden, når man dårlig nok kan folde krøllet køkkenfolie (30000 gange tykkere) ud uden at få raserianfald?

Vi har brug for et helt særligt værktøj. En slags super-nano-pincet eller nano-finger.

Jeg har forsket i nanomanipulation i næsten 10 år fra 2000 til 2010 og vi lavede skam rigtige nanosamlebånd der kunne "fabrikere" små maskiner og redskaber ved hjælp af en nano-pincet. Jojo. Og fik det til at virke.

Det interesserer mig grundlæggende at manipulere nanostrukturer. Det fascinerer mig at kunne flytte rundt på genstande der er millioner gange mindre end en menneske finger.

Dengang brugte vi elektrotermisk udvidelse af special-fremstillede gribehænder lavet af silicium - nanopincetter. Når de blev varmet op, udvidede de sig, og dette kunne vi omforme til mekaniske kræfter der kunne gribe og slippe nanostrukturerer (se filmene ovenover).

Sig det med klister

Vi drømte og diskuterede også om man kunne gå en helt anden vej - lave en slags "tænd-sluk" tiltrækningskraft som et smart alternativ til de lidt klodsede nanofingre. Tænk hvis man kunne tænde og slukke for klisterkræfterne - de er som du måske ved meget voldsomme på nanoskala, så det er noget der batter.

Det er det der nøglen til vores metode til at samle de atomtynde lag til stakke, den hellige gral lige nu. Og tykkelsen af de lag vi kan manipulere idag, er hundrede gange mindre end de mindste strukturer vi kunne manipulere med gribehånden!

Pick up og drop down

Det gælder om at gøre det uden at få rodet skidt og møg (vand, opløsningsmidler og polymerrester) ind imellem de tynde lag, for så kompromitterer man egenskaberne man jagter. Vi tog udgangspunkt i en "dry transfer" proces, som to PhD studerende, Bjarke Jessen og Filippo Pizzocchero tog 8 måneder til USA (Jim Hones gruppe ved Columbia Universitet, NY) for at lære. Bjarke og Filippo lavede nogle væsentlige forbedringer - og det er netop "pick and place" som jeg kaldte det dengang jeg selv arbejde med nanomanipulation, som i Bjarke og Filippos terminologi kom til at hedde "pick-up" og "drop-down" --- der blev muligt ved at bruge polymer film som nano-gribe hånd med variabel klisterkraft. Vi har lige fået artiklen ud i Nature Communications hvor vi har betalt for at alle kan downloade den gratis. Enjoy (or not :)

Hot pickup - temperaturkontrol er nøglen

Når polymeren varmes op over sin glasovergangstemperatur bliver den mere klistret, og dette gør at den danner en god binding til de små stykker krystal der ligger fordelt over den silicium skive vi starter fra. Når vi køler polymeren af kan krystallen samles op. Denne kan så lægges ned på en anden krystal UDEN at den kommer i kontakt med hverken vand, polymerer eller opløsningsmidler. Det kan jo ikke undgås at der alligevel er lidt skidt - men de to studerende fandt ud af, at når de varmede krystallen endnu højere op (til 110 C) mens de "stemplede" eller laminerede dem sammen, kunne van der Waals kræfterne mellem lagene "presse" urenhederne ud. De renser simpelthen sig selv, fordi urenheder, skidt og vand bliver mere mobilt ved høje temperaturer --- og så gør van der waals kræfterne selv arbejdet.

Dette har simplificeret processen meget idet vores "stakke" --- som kaldes van der Waals heterostrukturer - bliver meget rene, og lykkes næsten hver gang. Vi kunne have beholdt den hårdt optjente viden for os selv, og beholde vores forspring - men vi er godt og grundigt træt at denne strategi for det har skadet os i årevis at vores kolleger i det ekstremt kompetitive forskningsfelt ikke fortæller os hvordan de bærer sig ad, eller ligefrem publicerer opskrifter der "mangler noget". Så vi har skrevet en artikel der så præcist som muligt fortæller alle der interesserer sig for det, hvordan man kan bygge ekstreme nanomaterialer af 1 atom tynde materialer, med et optisk mikroskop, en varmeplade, en glas-slide, en tynd polymer film og noget tålmodighed. Hvis man vil lave elektriske kredsløb skal man bruge mere avancerede redskaber (til at lave litografi), men stadig noget ethvert forskningslaboratorium råder over.

2D materialer er en guldmine, men vi har kun hentet guldstøv op indtil nu

Tænk lige over det. Nanomaterialer med redskaber der kan købes på ebay for få tusinde kroner. Man vil ikke kunne lave "top-of-the-line" materialer som vi kan på DTU Nanotech, men det er muligt at konstruere nanostrukturer med 1 atoms præcision på køkkenbordet - næsten.

Vi håber at vores kolleger rundt om i verden ser at komme ud af starthullerne så vi kan komme i gang med den der 2D fremtid, og det ultimative nano-LEGO "maker" byggesæt. Foreløbigt har vi travlt med at høste frugterne - og lære mere om nano-LEGOs forunderlige og ofte underlige muligheder.

Peter Bøggild er professor i nanoteknologi på DTU. På bloggen Supermaterialer skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

for en god artikel. Det var yderst interessant og ikke mindst underholdende. For mig den bedste artikel jeg har læst i år her på ing.dk.

  • 8
  • 0

Peter, hvis man skal bygge ting atom(-lag) for atom(-lag) bliver hastigheden hurtigt afgørende.

I Halvlederbranchen bruger man massivt parallelle arbejdsgange og arbejder på helt op mod ⅙ kvadratmeter chips i hver arbejdsoperation.

Kan jeres arbejdsgange paralleliseres tilsvarende massivt, eller ender vi med at alting bliver nano-unika ?

  • 1
  • 0

Et rigtigt godt spørgsmål.

Jeg har skrevet et langt svar, men det bliver ikke accepteret af firewall systemet - noget nyt ing.dk har indført for at forhindre lange svar, tekniske forklaringer og kvalificeret debat. Efter 10 minutter med at poste mit svar med små ændringer har jeg givet op. Sorry websupport, det er ikke jeres skyld, men jeres firewall er noget juks.

  • 4
  • 0

Hvis svaret er langt - kunne man måske forsvare at det var en ny blogpost - der uddybede den detalje :)
(ikke for at forsvare hvad det end er der blokerer jeres posts.. :)

  • 0
  • 0

det er den samme firewall. Jeg brugte 10 dage på at uploade selve bloggen, den blev også "blogeret" :)... så det er jeg ikke tilfreds med.

  • 1
  • 0

Et rigtigt godt spørgsmål!

Vdw teknikken er vigtige af to grunde.

1 - Der er 2000 forskellige 2D materialer, og hvis du accepterer præmisset om at det kombinationerne der er de spændende ligesom at det periodiske system bliver en del sjovere med kemi - sammenblandinger, så har vi brug en screenings metode - et system til at kombinere lagene for at finde ud af hvilke egenskaber de har, og opdage nye. Prototyping er ikke en luksus - men en nødvendighed - når man har 2000 materialer der kan kombineres frit. Det kan tage 5-10 år at lave en industriel proces - og mange penge - for at kunne dyrke 2D heterostrukturer af kemisk vej.
Uden en screeningsmetode kan vi lige så godt lægge os ned og tude, eller glemme de 1999 og fokusere på grafen.

Grund 2: denne nano-laminering kan MÅSKE blive skaleret op. Der er masser af industrielle laminerings metoder for tykke film. Kan det gøres med atomlag? Vil den selvrensende effekt fungere på kvadratmeter skala, eller opføre sig på en måde vi kan drage nytte af? Det er teknologisk grundforskning: at undersøge de grundlæggende mekanismer der kan føre til en ny form for teknologi - så det har lange udsigter. Måske - somme tider bliver man overrasket over nogle kæmpe ryk tingene tager.

Da jeg var PhD ville jeg have sværget på at man aldrig ville kunne lave ballistisk elektronik ved stuetemperatur. Det kan vi idag med grafen.

Jeg ville have sværget på at man det ville være umuligt at lægge 0.3 nm film ovenpå hinanden uden urenheder og uden at de går i stykker. Det kan vi idag med grafen og dets fætre og kusiner.

At lave nano-laminering af 2D materialer i metervis lyder umuligt, men jeg tager heldigvis tit fejl - så vi får se. Jeg holder jer/dig opdateret... :D

  • 3
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten