Grafenforskning i absolut framkant

Ända sedan utforskandet av grafen belönades med Nobelpriset 2010 har materialet rönt stor uppmärksamhet. Men forskare på Chalmers och Linköpings universitet har mycket längre tillbaka än så utvecklat grafenliknande material med unika egenskaper.

Grafen är ett tvådimensionellt material, som består av ett enda lager av kol­atomer. Det är det tunnaste material vi känner till och har en rad spännande potentiella tillämpningar. Men traditionellt grafen har en del begränsningar, som exempelvis storleken, känslighet för vissa gaser samt brist på bandgap, som är nödvändigt för elektronik.
Ledande materialforskare på Chalmers och Linköpings universitet har under många år samverkat i SSF-finansierad forskning om grafenliknande material, som har egenskaper som möter dessa utmaningar. Tillsammans har forskarna byggt upp en unik holistisk forskningsmiljö, med expertis i den absoluta framkanten. Ett viktigt fokus för forskarna är att utveckla högren enkristallgrafen av halvledarmaterialet kiselkarbid (SiC) för metrologi (mätteknik), sensorer och elektronik.
– Möjliga tillämpningar är inom allt från medicinsk fysik till halvledarindustrin. En viktig egenskap hos det grafen vi fokuserar på i projektet är att kristallstrukturen är perfekt, berättar Tomas Löfwander, biträdande professor på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Stabilt, robust och miljövänligt
Linköpings universitet är en pionjär när det gäller att odla den här typen av enkristallgrafen. Forskargruppen har ett grundmurat internationellt rykte och patenterad teknologi. Teknologin har stor potential att nyttiggöras i industrin.
– Vårt grafen kan odlas i såväl ett lager som med bufferlager och det begränsas bara av storleken på det underliggande substratet. Det är stabilt, robust, miljövänligt och kompatibelt med mikroelektronik utan att det behöver överflyttas. Dessutom utgör vårt grafen en utmärkt plattform för att odla andra tvådimensionella material och för att studera och utveckla sensorer, berättar Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.
Ett viktigt område där grafen redan fått genomslag är inom kvantmetrologi. Grafen gör det möjligt att med extremt hög precision mäta resistans vilket gör det möjligt att kalibrera massa. 2019 introducerades det elektroniska kilogrammet, som innebär en ny definition av viktenheten.
– Det ger ett helt exakt mått, något som blir alltmer nödvändigt i avancerade elektroniska produkter och högteknologiska processer. Vår teknologi gör det möjligt att sprida och industrialisera denna typ av precisionsmetrologi. Det är användarvänligt, hållbart och mycket precist, förklarar Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers, samt ledare för Chalmers grafencentrum och Chalmers Vinnovastödda kompetenscentrum 2D-TECH.
Möjliga konsumentnära tillämpningar kan exempelvis vara för högkänsliga magnetfältsensorer som används i fordon, batterier och kraftledningsnät.

Detektorer för luft och vatten
På Linköpings universitet studerar Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik, och hans team hur SiC-baserad enkristallgrafen kan användas till sensorer för att detektera skadliga ämnen i luft och vatten, med särskild fokus på luft. Detta är angeläget – luftföroreningar beräknas ligga bakom sju miljoner förtida dödsfall globalt om året och belastar den globala välfärden med kostnader om 5 biljoner dollar per år. Forskargruppen utvecklar sensorer som är så känsliga att de kan upptäcka molekyler ned till miljarddelar i koncentration.
– Användning av enkristallgrafen för denna typ av sensorer har den stora fördelen att de är extremt känsliga samtidigt som de har en mycket låg brusnivå. Det gäller nu att skala upp och utveckla en plattform för att bredda forskningen, exempelvis för medicinsk diagnostik. Där skulle sådana sensorer kunna detektera biomarkörer för sjukdom i exempelvis utandningsluft och blod, berättar han.

Samverkan avgörande
Den nära, tvärdisciplinära samverkan mellan Chalmers och Linköpings universitet har varit avgörande för att nå så långt i forskningen.
– Till en början fanns en viss skepsis mot vår teknologi från det mer traditionella grafenlägret. Det fanns en uppfattning om att traditionell grafen var det ”riktiga” grafenet. Men vi har visat att vår teknologi håller en mycket hög kvalitet och har enormt goda resultat och tillämpningar inom många områden. Det gör att vi nu kan utöka våra aktiviteter inom forskningen kring andra tvådimensionella material, med målsättningen att finna ytterligare industriella tillämpningar, avslutar Sergey Kubatkin, professor på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.