Ny metode kan designe nanomaterialer med under 10 nanometers præcision. Det kan bane vejen for hurtigere og mere energieffektiv elektronik.
Kravene til fremtidens elektronik omfatter bl.a. flere kredsløb på mindre plads og med lavere energiforbrug. Nu har forskere fra DTU ført an i et projekt, der gør os i stand til at designe nanomaterialer og nanokredsløb med hidtil uset præcision. Det kan få stor betydning for udviklingen af elektronik, der kan udføre lynhurtige beregninger med langt mindre strømforbrug end den teknologi, vi bruger i dag.
En af de senere års største opdagelser inden for fysik og materialeteknologi er de todimensionelle materialer - som f.eks. grafen - der er stærkere, stivere og bedre til at lede strøm og varme end alle andre materialer, vi kender til. Men det er især det, at de kan programmeres, som gør dem unikke. Ved at tegne ekstremt fine mønstre i materialerne, kan de potentielt designes til lige præcis det, vi skal bruge.
På DTU laver forskerne mønstre i todimensionelle materialer med en af verdens bedste litografimaskiner, der står i DTU Nanolabs rentrumsfacilitet. Denne maskine kan lave mønstre med detaljer ned til en grænse på omkring 10 nanometer. Computerberegninger kan nøjagtigt forudsige, hvordan mønstrene bør se ud for at skabe ny elektronik, der ikke bare udnytter elektronernes ladning, men også særlige kvanteegenskaber som for eksempel spin. Beregninger viser også noget andet: Mønstrene skal være endnu mere præcise end 10 nanometer, før der virkelig sker noget.
”Hvis vi for alvor skal låse skattekisten til fremtidens kvanteelektronik op, skal vi bogstaveligt talt være skarpere,” siger Peter Bøggild, professor og gruppeleder på DTU Fysik.
Og det er netop, hvad forskerne har haft succes med.
”Vi viste i 2019, at vi med runde huller placeret med 12 nanometers mellemrum kunne forvandle semimetallet grafen til en halvleder. Nu har vi knækket koden til at lave andre former - for eksempel trekanter - hvor hjørnerne er væsentligt skarpere end 10 nanometer. Og så kan vi måske, i stedet for i dag, hvor vi bruger deres ladning, bruge elektroners spin til at lave beregninger og gemme data, hvilket vil koste meget mindre energi. Der er lang vej endnu, men med dette resultat har vi taget et vigtigt skridt,” siger Peter Bøggild.
Knivskarp trekant
Selve forskningsprojektet er ledet af postdoc Lene Gammelgaard, der blev ingeniør fra DTU i 2013, og siden har spillet en nøglerolle i den eksperimentelle udforskning i 2D materialer på DTU.
”Tricket er at anbringe nanomaterialet bor-nitridoven pådet materiale, man gerne vil bore huller i. Derefter laver vi hullerne med en særlig ætseproces. Processen medfører, at bor-nitriden nedskalerer mønstrene i en grad, der går under vores litografisystems grænse på ti nanometer. Så hvis vi laver et rundt hul på 20 nanometer i bor-nitriden, får vi måske et 10 nanometer rundt hul i grafen-laget nedenunder. Hvis vi derimod starter med ettrekantethul med afrundede hjørner, ender vi med enknivskarptrekant i grafen-laget. Som regel bliver mønstre mindre perfekte, når du gør dem mindre, men her er det omvendt. Og det gør, at vi kan genskabe nogle af de strukturer i laboratoriet, som de teoretiske beregninger fortæller os er optimale,” siger Lenne Gammelgaard, og fortæller, at teknikken også kan bruges til halvledende 2D materialer.
Man kan f.eks. lave flade elektroniske metalinser – en slags super kompakt optisk linse der kan styres elektrisk ved meget høje frekvenser, og som ifølge Lene Gammelgaard kan blive essentielle komponenter til fremtidens kommunikationsteknologi og bioteknologi.
Krystaller af materialet heksagonal bor-nitrid kan ætses så det mønster man tegner i toppen forvandles til en mindre og knivskarp udgave i bunden. Disse perforeringer kan bruges som en skyggemaske til at tegne komponenter og kredsløb med en præcision der ikke er mulig med selv de bedste litografiske processer i dag. Til højre ses billeder af trekantede og firkantede huller, der er taget med et elektronmikroskop. Illustration: Peter Bøggild, Lene Gammelgaard og Dorte Danielsen.
Presser grænserne
Den anden hovedperson er den unge studerende Dorte Danielsen. Hun blev bidt af nanofysikken efter 9. klasse erhvervspraktik på DTU i 2012, kom i finalen i talentprogrammet Forskerspirer i 2014 (se artikel i Ingeniøren), og har i 2019-2021 været indrulleret i DTU’s Honors program for elitestuderende.
Hun fortæller, at de fysisk/kemiske mekanismer bag teknologien endnu ikke er velforstået.
”Vi har en række mulige forklaringer på denne usædvanlige ætseproces, men der er stadig meget vi ikke forstår. Sikkert er det, at det er en yderst spændende og nyttig teknik for os, og en rigtig god nyhed for de tusinder af forskere rundt omkring i verden, der forsøger at presse grænserne for todimensionel nanoelektronik og nanofotonik”.
Dorte Danielsen får mulighed for at arbejde videre i de ekstreme strukturer i forskningsprojektet ”METATUNE,” som er støttet af Danmarks Frie Forskningsfond. Her skal den teknologi, hun selv har været med til at udvikle, bruges til at lave flade optiske metalinser, der kan styres elektrisk.