Grafen består af ét lag kulstof-atomer i et sekskantet mønster. De danske forskere har tilført små 'øer' af brint, hvilket giver stoffet nye egenskaber. På figuren ses kulstof-atomerne i gråt, mens brintmolekylerne ses i rødt. (Grafik: Thomas Garm Pedersen)

Danske forskere har nu banet vejen for hurtigere og mere effektive computere i fremtiden. Det er sket i et samarbejde mellem Interdisciplinært Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet og Aalborg Universitet, hvor brintmolekyler er blevet anbragt i et særligt mønster på et materiale kaldet grafen.

Arbejdet er netop blevet præsenteret i tidsskriftet Nature Materials.

En erstatning for silicium

Grundstenen i de mikrochips, som sidder i vores computere og mobiltelefoner har i mange år været silicium. Men for seks år siden så et nyt materiale med stort teknologisk potentiale dagens lys. Navnet på dette materiale er grafen. Grafen består af kulstof-atomer ligesom kul, diamant og den grafit, der findes i nutidens blyanter.

Det særlige ved grafen er at kulstof-atomerne sidder i et ultratyndt, kun ét atom tykt lag. Selv hvis man stabler 300.000 lag grafen oven på hinanden, vil de ikke være tykkere, end et enkelt ark papir.

På trods af den ringe tykkelse er grafen-lagene ekstremt stærke, og de har en højere evne til at lede strøm ved stuetemperatur end alle andre kendte materialer. Forskere ved computerfabrikanten IBM har for nylig vist, at computerchips lavet af grafen er meget hurtigere, end de eksisterende chips baseret på silicium. Disse egenskaber giver grafen et stort potentiale som fremtidigt materiale i mikrochips.

Strømmen skal kontrolleres

Der er dog et problem ved grafen, der indtil nu har forhindret det i at erstatte silicium som det foretrukne materiale i mikrochips. Silicium har nemlig den vigtige egenskab, at man kan tænde og slukke for dets evne til at lede strøm. Materialer, der har den egenskab, kalder man for halvledere. Da grafen i sig selv ikke er en halvleder, kræver det, at man finder en metode til at tænde og slukke for grafens evne til at lede strøm, hvis grafen skal kunne erstatte silicium i fremtiden.

Forskere ved Aarhus og Aalborg universiteter har som de første i verden fundet en metode til netop at tænde og slukke for ledningsevnen i grafen. De har vist, at hvis man laver nano-mønstre af brintmolekyler på en overflade af grafen, så kan selv store flager af grafen forvandles til en halvleder.

Grafen med og uden brintnanomønstre. Grafikken er lavet ved hjælp af en særlig teknik - skanne tunnel mikroskopi (STM) - hvor en lille metalnål føres hen over en overflade og registrerer ændringer i strømmen fra nålen til overfladen, når den passerer toppe og bakkedale. Til venstre ses et grafen-lag med det karakteristiske sekskantede mønster. Til højre ses grafenoverfladen med brintmolekylerne, der giver grafen den vigtige egenskab, at man kan tænde og slukke for dens evne til at lede strøm. (Grafik: Liv Hornekær)

»Vi dyrker grafen-laget på en metalkrystal, og ved at tilføre en afpasset mængde brint, som danner et mønster af brint-øer på overfladen, forvandler vi grafenen til en halvleder,« forklarer Liv Hornekær, lektor ved Institut for fysik og astronomi, Aarhus Universitet og tilføjer:

»Vi har altså fundet en måde, hvorpå vi kan udnytte grafens fantastiske evne til at lede strøm, mens vi samtidig har mulighed for at kontrollere, om strømmen skal være tændt eller slukket.«

Kan også gavne røgalarmer

Dermed er endnu en forhindring på vejen mod computerchips, baseret på grafen, ryddet af vejen. Forskernes opdagelse er et gennembrud i grafen-forskningen.

»Mikrochips findes ikke bare i computere og mobiltelefoner, men i stort set alt elektronisk udstyr for eksempel sensorer i røgalarmer,« fortæller Liv Hornekær.

»Grafens evne til at lede strøm er så følsom over for forurening, at man vil kunne måle selv ganske små koncentrationer af røg eller giftstoffer i luften. Mikrochips baseret på grafen har altså store anvendelsesmuligheder i fremtiden,« forklarer hun.

Det satses stort på forskning i grafen, og for nylig udkom i tidsskriftet Nature Physics endnu en artikel om grafen. I denne viser en international gruppe af forskere fra Århus, Italien og Argentina, at selv de stærkest bundne elektroner i grafen kan hoppe fra et atom til et andet; en effekt, som aldrig før er observeret i et faststof.