Vejen til superhurtige computere
Superhurtige computere med kulstof som det revolutionerende element. Det kan blive resultatet af danske forskeres bidrag til et af tidens hotteste forskningsområder.

 

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.

Vidste du

Forskningen omtalt i denne artikel er udført af: Richard Balog, Bjarke Jørgensen, Louis Nilsson, Mie Andersen, Emile Rienks, Marco Bianchi, Mattia Fanetti, Erik Lægsgaard, Alessandro Baraldi, Silvano Lizzit, Zeljko Sljivancanin, Flemming Besenbacher, Bjørk Hammer, Thomas G. Pedersen, Philip Hofmann og Liv Hornekær

 

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.

Fakta: Båndstrukturer

Herover ses en model af båndstrukturen for et metal, et semimetal, en halvleder og en isolator.

Valensbåndet består af de elektroner med højest energi, hvor den enkelte elektron stadig er bundet til et specifikt atom. I ledningsbåndet har elektronerne derimod netop nok energi til at frigøre sig fra det enkelte atom og dermed bevæge sig gennem materialet og lede en strøm, heraf navnet.

Fermi-niveauet er den højeste energitilstand, der er besat ved det absolutte nulpunkt (-273°C). Med andre ord, ved det absolutte nulpunkt vil elektronerne befinde sig i de tilstande med mindst energi, men pga. kvanteeffekter kan de ikke alle være i det samme energiniveau og dermed fyldes energiniveauerne op nedefra, indtil der ikke er flere elektroner.

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

På figuren herover ses på A et billede optaget med scanning tunnel mikroskop af den rene graphenoverflade. Der fremkommer en overordnet struktur, fordi graphenen ligger på en iridiumoverflade. En sådan overordnet struktur kaldes et Moiré-mønster. På figur B ses overfladen efter, at der er sat hydrogenatomer på overfladen. Hydrogenatomerne sidder i små klynger i et veldefineret mønster bestemt af Moiré-mønstret.

På figur C og D ses båndstrukturen for graphenen tilhørende hhv. figur a og b. Den nederste del af figur c og d er eksperimentelle målinger af valensbåndet. Ledningsbåndet er derimod tegnet ind efter målingen blev udført, da den anvendte måleteknik kun kan bestemme valensbåndet.

Figur D viser tydeligt, at graphen-overfladen med hydrogen har et båndgab. Usikkerheden omkring ledningsbåndets placering medfører, at båndgabets størrelse ikke kan bestemmes præcist, men fra målingerne fremgår det, at båndgabet er omkring 0,9eV.

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

Sådan åbner man båndgab i graphen

FIGUR X: Tynd strimmel graphen

I en halvleder er der et såkaldt båndgab, som er afgørende for materialets elektriske egenskaber. Hvis graphen skal bruges som halvleder, skal der derfor induceres et båndgab, da gra­phen ikke i udgangspunktet har et sådant.

Et båndgab kan åbnes ved at reducere elektronernes bevægelsesfrihed. I figur X ses en tynd strimmel graphen. Denne strimmel graphen vil have et båndgab, fordi elektronernes bevægelsesfrihed er reduceret til størrelsen af strimlen, som kun er nogle få atomare afstande. Et makroskopisk graphenlag, hvor elektronerne kan bevæge sig langt i begge retninger, vil derimod ikke have et båndgab.

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.

FIGUR Y: Linjer af hydrogen på graphen

Den samme effekt kan opnås på et stort ark graphen, hvis der etableres barrierer for elektronerne. Disse barrierer kan f.eks. udgøres af linjer af hydrogenatomer, som illustreret i figur Y. Når hydrogenatomerne bindes til overfladen, ændres de elektroniske egenskaber for graphenen, og elektronerne kan ikke ubesværet passere rækkerne af hydrogen. Graphenen mellem rækkerne af hydrogen kan sammenlignes med strimlen på figur X, og derfor vil der ligeledes være åbnet et båndgab i graphenen på figur Y.

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.

FIGUR Z: Periodisk mønster af hydrogen-øer på graphen

Alternativt kan de elektroniske egenskaber ændres ved at påføre små "øer" af elektroniske barrierer i et periodisk mønster som illustreret i figur Z. Disse øer kan f.eks. dannes af hydrogenatomer. Elektronerne er i dette tilfælde ikke helt indespærret, men deres frihed er reduceret, idet de ikke kan bevæge sig gennem øerne. Denne konfiguration vil derfor også inducere et båndgab.

Det er konfigurationen i figur Z, som de danske forskere har brugt til at åbne et båndgab i graphen lagt på et underlag af iridium.

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.

Om forfatterne:

Louis Nilsson er ph.d.-studerende. E-mail: louis@inano.au.dk

Bjarke Jørgensen er ph.d.-studerende. E-mail: inabj@inano.au.dk

Liv Hornekær er lektor. E-mail: liv@phys.au.dk

Alle ved Surface Dynamics Lab, ved Institut for Fysik og Astronomi og Center for interdisciplinær nanoscience, Aarhus Universitet.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om Evidensbarometeret, som Videnskab.dk lige har lanceret.