supermaterialer bloghoved

Jagten på den perfekte defekt

Sommetider er perfektion at fjerne alle fejl. Andre gange er det netop fejlene, der er vejen til teknologiske gennembrud. Mine kolleger på DTU Fotonik har lige udgivet en spændende artikel i Science Advances, om hvordan man laver de helt rigtige fejl.

Men først lidt baggrund.

Vi på DTU Fysik arbejder til dagligt med to-dimensionale materialer. Det er tit "kendis" materialet grafen, men også mange af superstjernens slægtninge. For eksempel er et andet to-dimensionalt materiale der minder en del om grafen, kaldet heksagonalt bor-nitrid, et yderst vigtigt materiale for os.

Heksagonalt bor-nitrid...Ikke jordens mest catchy navn, men materialet har nærmest mytisk status i mit forskningsfelt.

Det får nemlig grafen til at opføre sig... perfekt. Hvis man lægger sit atomtynde grafen lag på en overflade af silicium dioxid (også kaldet kvarts, meget populær isolator for transistorer), har grafen-filmen slet ikke de fabelagtige egenskaber som de teoretiske beregninger forudsiger.

Hvis man derimod indkapsler grafen-filmene i heksagonalt bor-nitrid, så kan elektronerne i grafen-laget pludselig bevæge sig flere mikrometer uden at støde ind i nogen forhindringer - eller sagt på teknisk: den middelfri vejlængde kan blive helt op til 2 mikrometer - ved stuetemperatur! Og det er ca. 150 gange mere end i selv den reneste silicium. Uden bor-nitrid skal man være glad hvis den middelfri vejlængde er 50 nm.

Så dette materiale, som vi til daglig kalder "hBN" er helt centralt for vores forskning her på DTU Fysiks to-dimensionale afdeling!

NORMALT jagter vi disse krystaller i deres allerreneste form - for jo mere perfekte bor-nitrid krystallerne er, jo vildere bliver grafen-elektronikkens performance.

Men sådan er det ikke altid.

På DTU Fotonik, arbejder Nicolas Stenger og hans team med at lave defekter i disse krystaller - kaldet luminiscente centre eller farvecentre - der har specielle kvante-optiske egenskaber. De er enkelt-foton emittere - små lamper der kan udsende en foton af gangen. Dette er også et meget aktivt forskningsfelt på DTU Fysik. Farvecentre er er helt essentielle komponenter i kvante telekommunikation og kvanteteknologi. I løbet af sit PhD projekt arbejdede Moritz Fischer, sammen med Nicolas og en række kolleger fra DTU Fotonik og Fysik (os), Lund Universitet og HZDR Dresden, med at lave defekter - fejl - i krystalstrukturen af bor-nitrid krystaller, der kan udsende lys på den helt rigtige måde. Det lykkedes så godt at artiklen i går udkom i Science Advances.

Illustration: https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe7138

(Figuren viser hvordan vi først lægger et hBN lag ned på en overflade, og derefter bombarderer det med ilt-atomer. Derefter opvarmes krystallen i en nitrogen atmosfære, hvilket får defekterne til at omdanne sig til kvanteemittere).

Helt tynde (og som udgangspunkt fejlfri) hBN flager blev bombarderet med oxygen-ioner, og ved at undersøge grundigt hvordan bestrålings-parametrene indvirkede på lysudsendelsen, og sammenligne med atomistiske "molecular dynamics" simuleringer (se figur), kunne Moritz og teamet kortlægge nøjagtigt hvordan man frembringer de helt rigtige defekter. Perspektivet kan kvanteteknologi der ikke behøver at blive kølet ned til ekstreme temperaturer for at fungere, fordi defekter i netop hBN (heksagonalt bor-nitrid) fungerer ved stuetemperatur. Samtidigt kan hBN lag laves ekstremt tynde, hvilket gør at de atom-små lyskilder kan placeres meget tæt på de komponenter de skal vekselvirke med, f.eks. optiske kaviteter. Det er første gang nogen laver "designer-defekter" med denne denne form for systematisk "defect engineering", og kan sige præcis hvad man skal gøre for at få de bedste defekter i hBN.

Illustration: https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe7138

(sådan ser det ud efter at et ilt atom har smadret igennem hBN laget. Ved efterfølgende at opvarme laget ved høj temperatur, heles defekterne delvist, og efterlader defekter med en lysende fremtid).

Vi får vel sendt en pressemeddelelse ud næste uge, men jeg synes lige at I skal have den her til weekenden.

For os - forskere, ingeniører, studerende, nørder, eksperter, kloge-åger og alment nysgerrige - er det godt at huske på at fejl sommetider er mere værdifulde end det fejlfri - i al fald hvis det er de helt rigtige fejl. Ligesom med madlavning, mennesker og alt muligt andet.

Hurra for de perfekte defekter!

Og god weekend..

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

Kvanteemittere har længe været i høj kurs, og er centrale komponenter for en masse kvanteteknologier. Det er ikke sååå nemt at lave defekter i atomkrystaller som er nøjagtig der hvor vi vil have dem, og har nøjagtigt de egenskaber vi skal bruge til den netop den anvendelse - men vi kan jo godt lide en god udfordring! Der er mange andre grupper der laver forskning i samme retning som os, så på den måde er vores (dvs mest Nicolas og Moritz) flotte result bare et skridt på vejen - men i min optik (pun intended :) er det et ret flot og vigtigt skridt! Du kan læse lidt mere om kvante emittere (color centers, NV centers kaldes de også somme tider) og hvad de kan bruge til her: https://www.cecam.org/workshop-details/227

  • 6
  • 0

Det er ikke sååå nemt at lave defekter i atomkrystaller som er nøjagtig der hvor vi vil have dem, og har nøjagtigt de egenskaber vi skal bruge til den netop den anvendelse

Det var præcis det der var pointen med mit spørgsmål, jeg kan godt se perspektiverne men også udfordringerne. Overfladefysik og defekter er et krydsfelt af forskellige teorier der ikke altid giver samme resultat. Lige så snart man bevæger sig væk fra krystalstruktur med symmetri, så bliver det noget rod.

Tak for linket, interessant læsning.

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten