Vejen til superhurtige computere

De første skridt, på den revolutionerende vej mod superhurtige computere, blev taget for seks år siden, da et nyt materiale med stort teknologisk potentiale så dagens lys i en britisk forskningsgruppe.

Materialet er senere blevet kendt som graphen.

Graphen er ét lag af kulstofatomer, som er sat sammen i sekskanter (se foto).

Med andre ord består graphen af de samme simple atomer, som er i grafitten i midten af en blyant og i grillkul, nemlig kul, men for at det kan kaldes graphen, må der kun være et eneste lag af kulstofatomer.

Hvis man stabler 300.000 'ark' graphen oven på hinanden, vil stablen ikke være tykkere end et enkelt ark papir.

Det er fascinerende at tænke på et materiale, som består af et atom i tykkelsen, men som kan have stor udstrækning i bredde og længde. For nylig lykkedes det for fjernsynsindustrien at fremstille et graphenlag, der er lige så stort som et 30" TV, men stadig kun et atom tykt.

Vidundermateriale med begrænsninger

Det har længe været kendt fra teoretiske beregninger, at ledningsevnen for graphen er bedre end ledningsevnen for alle andre kendte materialer ved stuetemperatur.

Dette giver graphen et kæmpe potentiale som materiale i fremtidige integrerede kredsløb. Graphen er derfor blevet et af tidens hotteste forskningsområder, og der rapporteres hver uge om nye forskningsopdagelser og udviklingsgennembrud.

F.eks. har forskere ved IBM for nyligt vist, at elektroniske komponenter, der er meget hurtigere end de eksisterende siliciumbaserede komponenter, kan laves af graphen.

Der er dog et problem ved graphen, der indtil nu har forhindret det i at erstatte silicium som det foretrukne materiale i integrerede kredsløb.

Silicium er således en halvleder, hvilket betyder at man kan tænde og slukke for ledningsevnen. Den egenskab har graphen ikke.

Hvis graphen skal erstatte silicium i fremtiden, kræver det derfor, at der findes en metode til at tænde og slukke for ledningsevnen i graphen og dermed forvandle det til en halvleder (se boks nederst).

Det afgørende båndgab

Når der løber en strøm i et materiale, er det elektroner, der bevæger sig i en bestemt retning. I et metal kan selv den mindste påvirkning af elektronerne få dem til at bevæge sig i en given retning, hvilket betyder, at det altid har evnen til at lede strøm.

I en halvleder er der et såkaldt 'båndgab', hvilket resulterer i, at elektronerne skal tilføres en vis mængde energi, før der løber en strøm. Hvis en halvleder har et stort båndgab, skal der tilføres en stor mængde energi for at få en strøm til at løbe.

Graphen kan for sammenligningens skyld betragtes som en halvleder uden båndgab - med andre ord, kan der altid løbe en strøm, hvilket netop er problemet.

Målet er således at få åbnet et båndgab af en passende størrelse i graphen, hvilket kan gøres på forskellige måder (se boks nederst).

Et dansk gennembrud

I marts 2010 kunne forskere ved Aarhus Universitet og Aalborg Universitet offentliggøre et gennembrud i graphenforskningen.

Det var lykkedes dem at åbne et båndgab i graphen ved kemisk at ændre overfladen. Dette er helt konkret gjort ved, at forskerne har sat hydrogen på graphenoverfladen i små velordnede klynger.

Målinger har vist, at båndgabet er omkring 0,9eV, hvilket er tilstrækkeligt til at udnytte graphen i stedet for silicium i mange henseender. Silicium har til sammenligning et båndgab på 1,1eV.

Det er første gang, at det er lykkedes forskere at få hydrogen til at sætte sig i et velordnet nanomønster på overfladen af graphen.

Graphenen er lagt på en overflade af iridium, og hydrogenatomernes strukturerede placering fremkommer helt af sig selv, pga. vekselvirkning mellem graphenen og iridiumoverfladen.

Hydrogenklynger giver båndgab

Inden der kommer hydrogen på overfladen er graphenen stort set flad. Afstanden mellem hvert andet kulstofatom er næsten den samme som afstanden mellem iridiumatomerne.

Det passer således næsten med, at hvert andet kulstofatom kan være lige over et iridiumatom.

Men det passer også kun næsten, hvilket medfører, at det kun er i små områder, at denne struktur med et kulstofatom lige over et iridiumatom opnås.

Lad os kalde disse områder matchende. Imellem de matchende områder er der således ikke nogen kulstofatomer lige over iridiumatomerne (tænk på to hønsenet, som næsten har samme maskestørrelse - du kan godt få dem til at passe sammen nogle steder, men ikke overalt).

Med de givne atomafstande for hhv. graphen og iridium, bliver der matchende områder i et hexagonalt mønster med en afstand mellem matchende områder på ca. 1,6 nanometer.

Det viser sig, at det netop er i disse matchende områder, at hydrogenatomerne binder til graphenen.

Forskerne har altså demonstreret, at mønstre af hydrogen dannes helt spontant og med nanometers præcision på graphen, der ligger på et underlag af iridium, og at disse hydrogennanomønstre fører til åbningen af et båndgab i graphen.

Med dette gennembrud i graphenforskningen ser fremtiden for endnu hurtigere computere, ipods osv. væsentlig lysere ud!

Artiklen er lavet i samarbejde med Aktuel Naturvidenskab.

På trods af at graphen er det absolut tyndeste materiale menneskeheden kender til, så er det utroligt stærkt. Men dét, der gør graphen allermest interessant, er dets exceptionelle elektriske egenskaber.

Teoretisk beregnet model

Teoretisk beregnet model af, hvordan graphenen vil rearrangere, når 12 hydrogenatomer påsættes i den mest energetisk favorable position.

1 / 2