Nanojulekalender 4: Kirstines guirlander er 50 nm brede
Så er det blevet fredag, og nu er der ikke længere nogen undskyldning for at udskyde oppyntningen. Her på DTU Fysik er der gang i konkurrencer om hvem der kan udstyre deres kontordør med den mest ekstravagante juledekoration. Ligesom den 1. december, interesserer jeg mig for den version af "ekstravagant" der betyder nanoskala. Det er jo ikke pjat det hele: når vi opdeler materialer i tilstrækkeligt små dele, forvandles deres egenskaber markant. Jeg bliver ikke længere (så tit) spurgt om det der nanoteknologi ikke snart kommer, for vores dagligdag er propfyldt med nanoteknologi. Man kan jo tænde for sin mobiltelefon, der er et sandt festfyrværkeri af materialer og teknologi vi kun kunne drømme om for 20 år siden, og en af de (bogstaveligt talt) mest synlige nanoteknoligier er QLED tv, hvor Q står for Quantum Dot - kvanteprikker - som er 2-10 nanometer størrelse partikler der alene i kraft af deres størrelse kan udsende klarere og stærkere lys med mindre energiforbrug end de sædvanlige Light Emitting Diodes (LED) (som også er nanoteknologi iøvrigt). Så er der moderne kræftmedicin, selvrensende overflader og alt muligt andet.
Nanoteknologi: jo mere vi har af det i vores hverdag... jo mindre hører vi om det... det er jo... bare hverdag.
Men der er stadig masser at tage fat på. I de seneste 15 år er materialer der er født "nano", såsom grafen, blevet studeret af titusindevis af forskere, og hele byer af forsøgslaboratorier, virksomheder og innovationscentre er bygget op for at udnytte det nye sorte guld. Siden cirka 2010 blev det så klart at der udover grafen, findes flere tusinde atom-tynde materialer, der endda kan kombineres (lægges ovenpå hinanden) og dermed danne fuldstændigt nye materialer. Det er første gang man med faste stoffer har kunnet få noget der minder om den vilde fleksibilitet og mangfoldighed, som kemikere har nydt godt af i århundreder.
Og når så disse "born to be nano" materialer bliver skåret i mindre (altså, meget små) stykker, ændres egenskaberne igen - så med kombinationen af (1) 2000 nye ultratynde materialer, (2) en uendelighed af måder de kan kombineres i lag-på-lag strukturer og (3) muligheden for at formgive disse på nanoskala, er vores muligheder for at lave ekstreme kredsløb, sensorer og elektronik eksploderet.
Og hvad har det med Jul at gøre? Jo det er noget med juleklip.
Kirstine Sandager, som netop er færdig med sit eksamensprojekt her på DTU Fysik, og er startet på en PhD hos min kollega Søren Raza, har lavet noget man med god vilje kan kalde "nano-juleklip" i sit projekt. Og som så meget andet, var det overhovedet ikke meningen. Det var faktisk, i forhold til det oprindelige formål med projektet, temmeligt nedslående at opdage at den tynde halvledende film af molybdæn disulfid (en af de mest kendte halvledende 2D materialer) spontant blev klippet i superlange, 50 nanometer brede strimler, når vi lagde MoS2 filmen på en bestemt overflade. Med hjælp fra vores litografi- og fabrikationsekspert Lene Gammelgaard, havde Kirstine nemlig lavet bittesmå riller i overfladen. Målet var at reproducere et bizart resultat vi havde set i det respekterede tidsskrift Nature Nanotechnology, hvor forskere netop havde lagt MoS2 på en RU overflade, og set af dets transistoregenskaber blev forbedret. Dette er stik imod den gængse visdom, at overfladen som et 2D materiale bliver lagt på, skal være så glat, ren og perfekt som muligt. Her så forskerne at når de med vilje ødelagde overfladen og gjorde den super-ru, fik MoS2 filmen en højere bevægelighed. Deres teori var at stress - altså træk - i MoS2 filmen på grund af den ru overflade, ændrede båndstrukturen, hvilket sagtens kan øge elektronernes bevægelighed.
Vi satte os for at gøre dette meget bedre end i artiklen, ved at skrive riller og mønstre der er helt regelmæssige, og systematisk undersøge (1) dels om de elektriske egenskaber forbedres, og (2) hvordan vores overflade mønsters præcise udformning styrer egenskaberne.
Kirstines "julestjerner" med MoS2 strimler
Det der så skete var at vi igen og igen kom til at ætse rillerne for dybe. Når MoS2 filmen blev lagt ovenpå, og vi lavede de sædvanlige litografiske processer for at formgive de elektriske test-strukturer med elektroder og hele molevitten, så sprang MoS2 filmen, og forvandlede sig selv til lange strimler i rillernes længderetning. Vi mistænker overfladespændingen af en vandig opløsning der på et tidspunkt bliver brugt i processen, for at levere de kæmpe kræfter der på nanoskala er som tyfoner og tsunamier der smadrer ganske stærke strukturer.
Et billede taget med et Atomic Force Microscope der viser højdeforskelle med stor nøjagtighed. Her kan du se at MoS2 filmen ligger som en membran ovenpå rillerne i den ene ende, og er klippet i lange strimler i den anden
Vi fandt ikke ud af hvad problemet var før ret sent i projektet. På billedet nedenfor kan man se et tværsnitsbillede taget af vores elektron mikroskop troldmand, PhD studerende Anton Bay Andersen, hvor man tydeligt kan se hvad der er sket. MoS2 laget er tydeligvis sprunget og er blevet presset ned i rillen - og er forvandlet til en lang strimmel.
Tværsnitsbillede med Transmissions Elektron Mikroskopi, taget af Anton Bay Andersen. Den gule streg er min opfarvning der viser hvor MoS2 filmen er, og hvor man kan se hvordan den er brudt, idet de stærke kræfter trækker den ned i kanalen.
Desværre for Kirstine var der på grund denne tendens til at filmen klipper sig selv i strimler, kunne vi ikke af- eller bekræfte hypotesen. På den anden side er det ret interessant at man kan omdanne en film som MoS2 (og måske også mange af de andre 2D materialer) til nano-strimler simpelthen ved at lægge dem på en overflade man har udformet på forhånd - hvor det er de mekaniske kræfter der "strimler" 2D laget, uden at vi skal lave den langt mere komplicerede litografiske proces vi plejer.
Så, som så ofte før, går eksperimenterne ikke helt som forventet, og som så ofte før, er fejl ofte kilden til interessante og brugbare nye opdagelser. Hvilke andre mønstre kan man få 2D film til at klippe sig selv i?
Det vil bliver spændende at finde ud af.
