Plat­ta mi­ra­kel­ma­te­ri­al

Jak­ten på fler

Forskning & Framsteg - - Augusti/2017 - Av MA­RIE ALP­MAN Il­lust­ra­tio­ner BJÖRN ÖBERG

Vis­sa äm­nen får märk­li­ga egen­ska­per när de är su­per­tun­na. Kol­ma­te­ri­a­let gra­fen var det förs­ta som upp­täck­tes. Nu fin­kam­mar fors­kar­na PERIODISK A SYS T EMET ef­ter fler.

Tänk dig en värld med ba­ra två di­men­sio­ner. Allt är i ett plan. Sa­ker har längd och bredd, men ing­en höjd. En så­dan värld be­skri­ver för­fat­ta­ren Ed­win Ab­bott i boken Flat­land som kom ut 1884. Hu­vud­per­son är en fyr­kant som be­skri­ver li­vet och in­vå­nar­na som oli­ka geo­met­ris­ka fi­gu­rer. Kvin­nor­na är till ex­em­pel streck, som stän­digt mås­te rö­ra på sig för att se ut att va­ra mer än en prick från si­dan.

Boken har upp­fat­tats som en sa­tir över klas�sam­häl­let i då­ti­dens Stor­bri­tan­ni­en – men det är ock­så den förs­ta ro­ma­nen som ut­fors­kar oli­ka di­men­sio­ner.

Det gör att den länge har fa­sci­ne­rat fysiker. En som of­ta re­fe­re­rar till Flat­land i si­na fö­re­läs­ning­ar är Kon­stan­tin No­vo­se­lov. Till­sam­mans med And­re Geim fick han No­bel­pri­set i fysik 2010 för upp­täck­ten av det nya su­per­ma­te­ri­a­let gra­fen. Att No­vo­se­lov fängs­las av en bok som är be­fol­kad av streck, cirk­lar och mång­hör­ning­ar är in­te så kons­tigt. Upp­täck­ten av gra­fen har in­ne­bu­rit att ma­te­ri­a­len ta­git ste­get in i sitt eget flat­land. Gra­fen be­står av ett en­da atom­la­ger kol och räk­nas som värl­dens förs­ta två­di­men­sio­nel­la ma­te­ri­al. Tun­na­re än så kan ett ma­te­ri­al in­te bli.

Nu pro­te­ste­rar nog en och an­nan. Ett ma­te­ri­al mås­te väl än­då ha en höjd, om än räk­nat i na­no­me­ter?

Ja, men i det här fal­let är det fy­si­ken som de­fi­ni­e­rar be­grep­pet. I ett två­di­men­sio­nellt ma­te­ri­al är elektro­ner­na fast i ett plan och med det föl­jer nya egen­ska­per som in­te finns hos ma­te­ri­a­let i van­li­ga fall. Gra­fen har till ex­em­pel över­läg­sen styr­ka och för­må­ga att le­da så­väl el som vär­me. Det är böj­bart, ge­nom­skin­ligt och lätt. Dess­utom är det en ef­fek­tiv bar­riär mot and­ra äm­nen.

Kol är in­te en­samt om att få nya, uni­ka egen­ska­per i su­per­platt for­mat. Nu på­går en in­ten­siv jakt på and­ra två­di­men­sio­nel­la ma­te­ri­al.

– Det öpp­nas en helt ny värld. I te­o­rin finns det kanske tu­sen tänk­ba­ra kan­di­da­ter, sä­ger Sa­roj Pra­sad Dash, do­cent i kvant­kom­po­nent­fy­sik vid Chal­mers tek­nis­ka hög­sko­la i Gö­te­borg.

Chal­mers är na­vet i den svens­ka gra­fen-forsk­ning­en, med ett särskilt cent­rum för forsk­ning om det två­di­men­sio­nel­la ma­te­ri­a­let. Här ko­or­di­ne­ras ock­så EU:S ti­o­å­ri­ga mas­to­dont­pro­gram Grap­he­ne flags­hip, lik­som det na­tio­nel­la in­no­va­tions­pro­gram­met SIO gra­fen.

Men även om gra­fen stjäl det mesta av strål­kas­tar­lju­set så in­ne­hål­ler pro­gram­men ock­så forsk­ning om and­ra 2D-ma­te­ri­al. Allt fler fors­ka­re in­tres­se­rar sig ock­så för de nya ku­si­ner­na i 2D-fa­mil­jen.

Sa­roj Pra­sad Dash på In­sti­tu­tio­nen för mikro­tek­no­lo­gi och na­no­ve­ten­skap är en av dem. Till­sam­mans med fors­kar­na Ti­mur She­gai och André Dan­kert på In­sti­tu­tio­nen för fysik un­der­sö­ker han bland an­nat möj­lig­he­ten att byg­ga tran­sis­to­rer och

”Det öpp­nas en helt ny värld. I te­o­rin finns det kanske tu­sen tänk­ba­ra kan­di­da­ter.”

ljus­käns­li­ga sen­so­rer med hjälp av en ma­te­ri­al­grupp som kal­las över­gångsme­tall-dikal­go­geni­der, TMD, tran­si­tion me­tal di­chal­co­geni­der. Pre­cis som gra­fen kan de kly­vas till sta­bi­la, tun­na ski­vor där en me­tall – van­li­gen mo­lyb­den el­ler vol­fram – lig­ger in­ba­kad mel­lan till ex­em­pel sva­vel el­ler se­len.

Trots att Tmd-kri­stal­ler­na är tre atom­la­ger tjoc­ka räk­nas de till 2D-ma­te­ri­a­len, ef­tersom de upp­vi­sar uni­ka egen­ska­per.

– De är till ex­em­pel ex­tremt bra på att ab­sor­be­ra ljus, myc­ket bätt­re än vad man kan vän­ta sig med tan­ke på att de är så tun­na, sä­ger Ti­mur She­gai.

Det­ta öpp­nar för oli­ka op­tis­ka tillämp­ning­ar, som att byg­ga nya ty­per av ljus­käns­li­ga sen­so­rer, lys­dio­der och las­rar. Fors­ka­re vid uni­ver­si­te­tet i Man­ches­ter i Stor­bri­tan­ni­en har till och med vi­sat att det går att byg­ga sol­cel­ler med TMD som bas.

Tmd-ma­te­ri­a­len har dess­utom nå­got som gra­fen sak­nar – ett så kal­lat band­gap. Det be­ty­der att de är halv­le­da­re, som ki­sel, och krä­ver en viss spän­ning för att le­da ström. Med halv­le­da­re går det att byg­ga till ex­em­pel tran­sis­to­rer, som är grund­bul­ten i vå­ra da­to­rer.

Gra­fen har ibland fram­ställts som ett un­der­ma­te­ri­al som kan er­sät­ta så­väl ki­sel som stål. Men det av­fär­das av Chal­mers­fors­kar­na. För att slå ige­nom på all­var mås­te gra­fen få hjälp av and­ra 2D-ma­te­ri­al.

– Gra­fen är en se­mime­tall och en god ledare, men för att byg­ga kom­plet­ta elektro­nis­ka kom­po­nen­ter be­hö­ver man ock­så halv­le­da­re och iso­la­to­rer, sä­ger Sa­roj Pra­sad Dash.

Ett av de förs­ta 2D-ma­te­ri­a­len ef­ter gra­fen är just en iso­la­tor. Äm­net heter hex­a­go­nal bor­ni­trid och kal­las även vit gra­fen på grund av den lik­nan­de atom­struk­tu­ren.

Hex­a­go­nal bor­ni­trid har vi­sat sig myc­ket an­vänd­bart för att kaps­la in och tjä­na som un­der­lag för and­ra 2D-ma­te­ri­al, in­te minst gra­fen.

– Jäm­fört med and­ra äm­nen, som ti­tan­di­ox­id, är det ett per­fekt ma­te­ri­al. Det är helt slätt sam­ti­digt som det in­te på­ver­kar gra­fens egen­ska­per, för­kla­rar Sa­roj Pra­sad Dash.

Nu kom­mer vi in på en av de rik­tigt in­tres­san­ta möj­lig­he­ter­na i ma­te­ri­a­lens flat­land. Det vi­sar sig att det går att stap­la flak av oli­ka 2D-ma­te­ri­al på hög, som kor­ten i en kort­lek. Trots att fla­ken lig­ger tätt sam­man­pac­ka­de re­a­ge­rar de in­te med varand­ra. I stäl­let binds de ihop av den så kal­la­de van der Waals-kraf­ten, den sva­gas­te kopp­ling­en mel­lan mo­le­ky­ler. Kort­le­kar­na kal­las där­för van der Waals-he­te­ro­struk­tu­rer.

Det­ta öpp­nar oänd­li­ga möj­lig­he­ter för att ska­pa nya, skräd­dar­syd­da ma­te­ri­al med pre­ci­sa egen­ska­per.

– Det är svårt att tän­ka sig hur du kan få fram de här egen­ska­per­na på nå­got an­nat sätt. De be­stäms helt en­kelt av i vil­ken ord­ning du läg­ger lag­ren på varand­ra, sä­ger Ti­mur She­gai.

Fors­kar­nas vi­sion är att ska­pa en verk­tygs­lå­da av 2Dma­te­ri­al som har oli­ka egen­ska­per. Med da­torns hjälp kan fors­kar­na se­dan de­sig­na ma­te­ri­al med öns­kad funk­tion.

Struk­tu­rer med upp till 16 la­ger har byggts på labb, men ste­get till verk­li­ga pro­duk­ter är fort­fa­ran­de långt.

Det är en kom­plex upp­gift att ut­fors­ka al­la kom­bi­na­tio­ner. En an­nan stor ut­ma­ning är att det än så länge sak­nas bra me­to­der för att i stor ska­la fram­stäl­la 2D-ma­te­ri­al av hög kva­li­tet.

När No­vo­se­lov och Geim fram­ställ­de det förs­ta gra­fe­net 2004 an­vän­de de van­lig tejp för att ryc­ka loss allt tun­na­re fla­gor av gra­fit. Det är en me­tod som fort­fa­ran­de an­vänds på många labb.

– Då fun­ge­rar det, men in­te om du ska till­ver­ka mil­jo­ner pro­duk­ter med höga krav på pre­ci­sion. Dit är det fort­fa­ran­de långt, sä­ger Ti­mur She­gai.

Vis­sa 2D-ma­te­ri­al är dess­utom in­sta­bi­la och kan ba­ra till­ver­kas vid ex­tremt låg tem­pe­ra­tur. De är ock­så myc­ket käns­li­ga och re­a­ge­rar lätt med and­ra äm­nen i om­giv­ning­en, vil­ket kan va­ra en stor nack­del vid han­te­ring­en.

En för­kla­ring till det­ta är att de har så stor yta i för­hål­lan­de till sin vo­lym. En an­nan är att de fy­sis­ka la­gar­na är an­norlun­da i flat­land.

– Fy­si­ken sker i två di­men­sio­ner. Så fort du stör med nå­got från den tred­je di­men­sio­nen så änd­ras fy­si­ken och där­med egen­ska­per­na, sä­ger Ti­mur She­gai.

Men den höga käns­lig­he­ten kan ock­så va­ra en för­del. Do­cent Er­min Ma­lic har till­sam­mans med si­na med­ar­be­ta­re ny­li­gen pa­tent­sökt en ny typ av sen­sor som byg­ger på Tmd-ma­te­ri­a­let vol­framdi­sul­fid. När en mo­le­kyl sät­ter sig på ytan änd­ras det op­tis­ka fin­gerav­tryc­ket – det vill sä­ga hur ytan ab­sor­be­rar ljus – på ett myc­ket mer pre­cist sätt än i da­gens ljus­käns­li­ga sen­so­rer.

Hem­lig­he­ten lig­ger i den två­di­men­sio­nel­la fy­si­ken. Här finns så kal­la­de mör­ka elektro­nis­ka till­stånd, som ly­ser upp när mo­le­ky­ler finns i när­he­ten.

Er­min Ma­lic hop­pas att de nya rö­nen ska le­da till ­ult­ra­tun­na sen­so­rer som med hög pre­ci­sion kan de­tek­te­ra till ex­em­pel mil­jö­gif­ter.

– Po­ten­ti­a­len är stor och vi­sar ock­så hur 2D-ma­te­ri­a­len ska­par helt nya möj­lig­he­ter, sä­ger han.

Hit­tills har åt­minsto­ne ett fyr­ti­o­tal 2D-ma­te­ri­al fram­ställts i ma­te­ri­al­labb runt om i värl­den. En ex­akt siff­ra är svår att få fram. Ba­ra ge­nom att by­ta ut en en­da ko­la­tom mot en an­nan i gra­fen har ett nytt ma­te­ri­al ska­pats.

Många av de nya 2D-ma­te­ri­al som pre­sen­te­ras är no­to­riskt in­sta­bi­la och fal­ler isär kort ef­ter att de fram­ställts. Hit­tills har ing­en till ex­em­pel lyc­kats till­ver­ka atom­tun­na la­ger av ki­sel, så kal­lat si­li­ce­ne, som är sta­bi­la i rumstem­pe­ra­tur på sam­ma sätt som gra­fen. Tran­sis­to­rer av si­li­ce­ne, som fors­ka­re vid Uni­ver­si­ty of Tex­as i Aus­tin i USA blev först med att byg­ga för två år se­dan, fun­ge­rar ba­ra i va­ku­um.

Sam­ma pro­blem med sta­bi­li­te­ten gäl­ler 2D-va­ri­an­ter­na av and­ra grun­däm­nen som ger­ma­ni­um ( ger­ma­nen), bor ( bo­ro­fen), tenn ( sta­nen) och fos­for ( fos­fo­ren). En an­nan skill­nad jäm­fört med gra­fen att de in­te blir helt plat­ta, ut­an buck­li­ga – vil­ket på­ver­kar de­ras egen­ska­per.

Även om ut­veck­ling­en går snabbt fram­åt kom­mer det att drö­ja in­nan 2D-ma­te­ri­a­len flyt­tar in i vå­ra mo­bi­ler, da­to­rer och an­nan elekt­ro­nik.

I en ar­ti­kel i tid­skrif­ten Sci­ence för­ra som­ma­ren sam­man­fat­ta­de Kon­stan­tin No­vo­se­lov lä­get: ”Vi är på sam­ma ni­vå som vi var med gra­fen för tio år se­dan. Det finns mas­sor av spän­nan­de ve­ten­skap – och okla­ra möj­lig­he­ter till mass­pro­duk­tion.” l

Vol­framdi­sul­fid är ett av många nya lo­van­de två­di­men­sio­nel­la ma­te­ri­al.

Des­sa la­ger av gra­fit är cir­ka 10 na­no­me­ter tjoc­ka. Om de dras isär med till ex­em­pel tejp får de märk­li­ga egen­ska­per och kal­las för gra­fen.

And­re Geim (t.v.) och Kon­stan­tin No­vo­se­lov fick No­bel­pri­set i fysik år 2010 för sin upp­täckt av gra­fen – ett helt nytt ma­te­ri­al med uni­ka egen­ska­per.

Newspapers in Swedish

Newspapers from Sweden

© PressReader. All rights reserved.