supermaterialer bloghoved

Vil du have en superflad?

Denne blog handler blandt andet om denne lækre artikel, som Joachim og Tim - to forskere fra DTU Nanotech - har skrevet: "Suppression of Intrinsic Roughness in Suspended van der Waals Heterostructures", og som kommer ud idag!

Spørgsmålet er ganske simpelt hvordan man gør et enkelt lag af verdens tyndeste materiale - grafen - fladt. Altså super-mega-tæske-(indsæt selv flere superlativer) fladt. Hvis man tænker på hvad buler på en fodboldbane betyder for spillet, så er det jo noget med at bolde pludselig kan springe i en ny retning, når der buler i banen. Ligeså bliver elektronerne i grafen sendt i nye og utilsigtede retninger, når de støder ind i forstyrrende elementer ... og det viser sig, at hvis de atomtynde kulstof lag buler bare det mindste, kan det gå ud over de ellers exceptionelle elektriske egenskaber.

Og så er det jo fundamentalt spændende hvor fladt sådan et nano-trommeskind kan blive!

MEN FØRST må jeg kridte banen op...

En af mine studerende spurgte mig igår til frokosten: hvad er egentlig definitionen på et to-dimensionalt materiale? Da jeg jo er professor i sådan noget, burde jeg have nemt ved at svare på det spørgsmål... hm...... I praksis er der flere svar:

DET ER 2D........

  1. ....HVIS DET ER RELATIVT TYNDT. Et materiale der "meget tyndt" i forhold til længde og bredde. Denne definition er fin, hvis man f.eks. skal finde ud af om man skal bruge 3D eller 2D modstandsformlen for at en firepunkts måling af resistiviteten (den specifikke modstand af et materiale). Men ikke helt "snæver" nok :D

  2. ....HVIS DET IKKE KAN BLIVE TYNDERE. Et materiale der kun er et atom tyndt, er todimensionalt. Men der er materialer der er lidt mere end 1 atom tyndt, og alligevel - i praksis - er todimensionalt. F.eks. molybdæn disulfid.

  3. ....HVIS ELEKTRONERNE SYNES DET ER TYNDT. Et materiale de er SÅ tyndt, at elektronernes bevægelsesfrihed på tværs er begrænset af kvantemekanisk opslitning i adskilte energiniveauer. Altså at elektronerne er mast så meget sammen, at de kun kan bevæge sig på helt bestemte måder (modes) der har hver sin energi, ligesom elektroner altid tilhører en bestemt orbital i et atom. Denne definition er måske lidt for snæver, for den passer bedst til ledende materialer.

og så den jeg er gladest for:

  1. ....HVIS DET KUN HÆNGER SAMMEN I TO RETNINGER. Et materiale hvis bindingsenergi er LANGT STØRRE på langs end på tværs. Hvis du tænker på en stak kort, kræver det langt mere kraft at skille kortene ad på langs (= rive dem over) end at skille dem ad på tværs (= tage dem af, lige så nemt). Et materiale der er naturligt lagdelt, er stærkere på langs end på tværs - meget stærkere. Definitionen på en krystal er "et fast stof hvor de indgående atomer, molekyler eller ioner er ordnet i et gentagende mønster i alle rumlige dimensioner"... og en to-dimensional krystal må så være en hvor der istedet for "alle" står "2" dimensioner. Og grafen er netop sådan et materiale - de kemiske bindinger mellem kulstofatomerne er kovalente og mindst 100 gange stærkere end de kræfter der holder lagene sammen i et stykke grafit (som man kan tænke på som en stak løse grafen flager ovenpå hinanden)

Med definition 4 findes der faktisk rigtig mange forskellige to-dimensionale materialer, og det lækre er at de kan kombineres og stables ligesom lego-klodser og tilsammen danne helt nye materialer - en slags "tør legering" - hvor du selv kan håndbygge dit materiale lag for lag, og trylle andre fysiske og kemiske egenskaber frem, som enkelt komponenterne ikke har. Som jeg beskrev tidligere om at "bygge materialer op 1 atomlag af gangen"

KRØLLERI I TO DIMENSIONER OG HVORDAN MAN GLATTER DEM UD

Noget helt, helt, specielt som 2-dimensionale materialer kan er at krølle - det vil sige at have struktur i den tredie dimension. Strengt taget er det sådan, at hvis en 2-dimensional krystal krøller bare det mindste - dvs er ru - er den ikke længere en 2-dimensional krystal, for den er ikke helt periodisk! For lidt over ti år siden fandt Tim Booth (der dengang arbejdede som phd studerende i Manchester Universitet) ud af - sammen med sine kolleger - at grafen der er frithængende krølles af sig selv (se f.eks. artiklen) eller diskussionen i det her forum. Det er en meget spændende og syret historie, for hvorfor i alverden skulle de tynde lag dog vælge at blive krøllede? En diskussion af dette mærkværdige fænomen kan du finde her.

Illustration: Tim Booth

(Illustration af et stykke grafen der fra venstre til højre er (1) frithængende (og krøller), (2) er understøttet af bor-nitrid på den ene side, og (3) er indkapslet i bor-nitrid. Da den type bor-nitrid vi bruger selv er et to-dimensionalt matereriale, giver det en fantastisk god reduktion af ruheden, der kommer helt ned på 0.012 nanometer. Illustrationen er lavet af Tim Booth. )

Joachim som er PhD studerende og Tim Booth (lektor) har nu brugt den samme strategi som i den gamle artikel, til at måle ruheden af grafen meget mere nøjagtigt, både når det ligger på en overflade, og når det er frithængende. Og ganske som dengang, fandt de ud af, at når det hænger frit, krøller det af sig selv. Så lykkes det Joachim at pakke grafenen ind i et andet to-dimensional materiale - bor-nitrid - og det viste sig at stabilisere og udglatte grafen-flagerne mere end noget andet.

Grafen der er indkapslet i bor nitrid, og frit ophængt, har en ruhed så lav som 12 picometer - det er en tiendedel af bredden af at atom, sådan ca.... og det svarer nogenlunde til de termiske svinginger på omkring 8 picometer. Det betyder at grafenen er så flad som det kan lade sig gøre, og så flat som noget fritstående materiale vi eller nogen andre nogensinde har målt.

(Søjlediagrammet viser at grafens ruhed på 12 pm for grafen G indkapslet i BN (BN/G/BN) er næsten lige så lav som de termiske svingninger (kT) på 8 picometer. Frithængende grafen er 10 gange så ru (114 pm), og grafen der kun har BN beskyttelse på den ene side (BN/G) ligger på 21 pm. Teoretiske beregninger viser at BN på en måde "køler" graefen - dvs at de gittersvingninger der skulle have været i grafenen, flytter over i BN laget. Figuren er lavet Joachim Dahl Thomsen)

Joachim og Tim brugte et kraftigt elektronmikroskop til at måle ruheden. Nu bliver det lidt teknisk: men ved at måle hvordan diffraktionsmønsteret udvikler sig når man roterer prøven, kan man regne ud hvor stor ruheden er. Netop fordi ruheden betyder at atomerne sidder lidt forkert i forhold til en perfekt krystal, giver det en udsmøring af diffraktionsmønsteret, man kan omsætte til en gennemsnitlig ruhed med lidt regnearbejde.

((a) illustration af ru grafen. (b) ved at tilte grafen-stykket bliver (c) diffraktionsmønsteret (de seks prikker) smurt ud - jo større ruheden er, og dette kan vi regne tilbage til en RMS ruhed)

Og hvorfor bliver grafenen fri for krøller lige netop med bor-nitrid? Det er jo ikke noget vi ved med sikkerhed, men Tue Gunst (en af de rigtig kloge hoveder nede af gangen) tog fat i sin computer, og rystede nogle spændende resultater ud af den. Han fandt ud af at grafens gittersvingninger (fononer) - når det bliver indkapslet i bor-nitrid med stor omhu - flytter over i bor nitriden. Ikke nok med at det bliver trykt fladt af at være i sandwhichen, det bliver faktisk også "afkølet" - i den forstand at gittersvingningerne flytter væk. Energien er der stadig, men nå er det bor og nitrogen atomerne i bor-nitriden der svinger istedet. Vi ved ikke om dette helt kan forklare den ekstremt lave ruhed - men det er da et pudsigt sammentræf.

Det korte og det lange er, at vi (1) har en metode til at måle ruheden af et fritstående materiale der ekstrem nøjagtig, og (2) ruheden af grafen kan reduceres til det termiske minimum ved at pakke det ind i tynde lag bor-nitrid og lade det være frithængende, og (3) dette kan betyde at fremtidens allervildeste elektronik kredsløb skal laves i frithængende film, der altså ikke rører ved nogen overflade. Hvordan det lige skal ske er et godt spørgsmål. Måske kan man netop pakke flere transistorer på mindre plads hvis man kan danne dem i atomtynde lag, og stable dem uden at de rører hinanden.

Det lyder svært - for ikke at sige umuligt - så det kigger vi lige nærmere på!

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

Det tænker jeg også tit. I virkeligheden tror jeg at vi bliver mættet ret hurtigt -- nutiden er ret interessant, og den var fremtid for ikke ret længe siden --- i teknologisk forstand mener jeg. Vis din mobiltelefon til dig selv for 10 år siden, og du ville have svært ved at tro hvad man kan med sådan en. .... men jo, de to-dimensionale materialer som jeg har en særlig interesse i ----- de er ikke nutid endnu, og det bliver helt sikkert vældigt interessant når vi får styr på dem. :D

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