Etikettarkiv: Grafen

Grafenforskning i absolut framkant

Sergey Kubatkin, professor, Tomas Löfwander, biträdande professor och Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi  och nanovetenskap på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Sergey Kubatkin, professor, Tomas Löfwander, biträdande professor och Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

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.

Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.
Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.

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.

Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik. Foto: IFM, Linköpings universitet
Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik. Foto: IFM, Linköpings universitet
Chalmers och linköpings universitet – Grafenforskning

De två SSF-finansierade projekten ”Epitaxiell grafen för metrologi, sensorer och elektronik”, koordinerat av Tomas Löfwander, samt ”Nya tvådimensionella system från tillväxt till tillämpningar”, koordinerat av Sergey Kubatkin, är exempel på den mångåriga forskningssamverkan inom grafenforskning som görs mellan Chalmers och Linköpings universitet. Forskningen ligger i den absoluta fronten och har resulterat i flera patent.

www.chalmers.se
www.liu.se
www.strategiska.se

Supertunna material med bred tillämpning

Sergey Kubatkin, professor och Samuel Lara Avila, docent på Chalmers.
Sergey Kubatkin, professor och Samuel Lara Avila, docent på Chalmers.

Grafen har unika egenskaper, men också vissa nackdelar. På Chalmers utvecklas helt nya, förbättrade material inspirerade av grafen och vissa har redan fått praktisk tillämpning.

Grafen, vars utforskande belönades med nobelpriset 2010, är ett tvådimensionellt material som består av ett enda lager av kolatomer. Det är det tunnaste material som vi känner till och har potential att revolutionera materialvetenskapen. Hittills har emellertid en bredare tillämpning hämmats av vissa begränsningar hos traditionell grafen. Bland annat saknar det bandgap, som är nödvändigt för elektronik, och det bryts sönder snabbt då det utsätts för vissa gaser, vilket gör det olämpligt för kemiska sensorer.
Sergey Kubatkin, professor på institutionen för kvantfysik på Chalmers, tacklar tillsammans med sitt team dessa utmaningar och skapar omedelbara applikationer för nya, tvådimensionella material, som inspirerats av grafen.

Enkristall
Inom ramen för ett forskningsprojekt som finansieras av Stiftelsen för Strategisk Forskning, utvecklar de nya grafenliknande material baserade på högren enkristall av halvledarmaterialet kiselkarbid (SiC). I gruppen ingår toppforskare från Chalmers och universiteten i Linköping, Uppsala och Lund. Det finns även ett nära samarbete med MAX IV-laboratoriet i Lund.
–Vi testar en rad olika enkristaller, som vi växer kontrollerat och i stor skala på kiselkarbid. Hittills har vi framgångsrikt kunnat samla ihop organiska molekyler på grafen och sedan förändra vissa egenskaper hos det tvådimensionella materialet. På så sätt kan vi också skapa nya tvådimensionella material som inte har grafenets nackdelar, berättar Sergey Kubatkin.

Elektronisk kilo
En tillämpning är inom kvantmetrologi, eller mätteknik. Där kan tvådimensionella material användas för att förenkla och förfina kalibreringsprocessen och exempelvis har enheten kilogram nu fått en elektronisk definition.
–Ytterligare applikationer är inom astronomi, för att räkna individuella fotoner (kvantum av elektromagnetisk strålning), samt i kemiska sensorer, som bland annat används för att mäta luftkvalitet, berättar Samuel Lara Avila, docent på Chalmers.
Projektet, som spänner över totalt fyra år, har nått halvvägs. Det har hittills resulterat i flera patent och det finns ett intresse hos flera kommersiella aktörer för teknologin.

Chalmers – bättre grafen
Det SSF-finansierade projektet ”Nya tvådimensionella system från utveckling tillväxt till tillämpningar” syftar till att utveckla nya grafenliknande material med tillämpning inom bland annat produktionsteknologi, sensorer, katalys och nanoteknik. Forskningen leds av professor Sergey Kubatkin, Chalmers. Övriga forskare är: Samuel Lara Avila, Chalmers – device fabrication and electronic characterisation. Rositsa Yakimova, Linköping University – material growth, Jens Eriksson, Linköping University – sensors, Alexei Zakharov, MAX IV, Lund – material characterisation, Karin Larsson, Uppsala University – first principle calculations, Magnus Skoglund, Chalmers – understanding of catalysis with two-dimensional materials.

www.chalmers.se
www.stratresearch.se


Premiär för svensk kol-radio nästa år

Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) vid Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) vid Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Framtidens elektroniksystem baseras på – kol! Forskare på Chalmers i Göteborg ska 2019 ha ett demonstrationsexemplar framme: En radio med elektronik av kolnanorör och supermaterialet grafen!

– Vi är övertygade om att vi ska få fram en fullständig demonstrator som fungerar, förhoppningsvis våren 2019, säger Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) vid Chalmers tekniska högskola.
Idag baseras det mesta av vår elektronik på kisel. Men inom 10-15 år väntas den teknologin nå sitt tak. Då går det inte längre att göra transistorer och mikrochip av kisel mindre och mindre, snabbare och snabbare.
I fyra år har professor Johan Liu och ett forskarteam under hans ledning forskat kring frågan om hur nya kolstrukturer, ihop med substrat av halvledaren galliumnitrid, kan ersätta kiseln i framtidens elektronik.

Kyler bättre än koppar
– Det finns ju andra alternativ, man talar till exempel om kvantdatorer eller biologiska system inom elektroniken. Men vi tror att det finns en väldigt stor potential i grafen och kolnanorör, säger Johan Liu.
– De kanske inte kan ersätta all kisel direkt, men i väldigt många applikationer, särskilt i datorer. Hittills ser det bra ut.
Under projektets gång har forskargruppen på cirka 20 personer utvecklat flera nya teknologier och gjort spännande fynd i jakten på nya komponenter och byggsätt kring de nya materialen.
– Vi har till exempel kunnat påvisa att grafen har helt fantastiska prestanda i att kyla elektroniken. Grafen är cirka åtta gånger bättre än koppar, det är rekord!

Mycket små grejer
– Målet är att de nya materialen ska vara bättre och effektivare i det mesta; signalöverföring, värmebortledning och miniatyrisering – det här är ju väldigt små grejer, säger Johan Liu.
Den nedersta gränsen för vad som går att bygga med kisel anses vara cirka 5 nanometer (= 0,000000005 meter).
– Grafen och kolnanorör erbjuder mycket mindre dimensioner. Vi hoppas kunna komma ner i kanske 1 nanometer, säger Johan Liu.
Projektet siktar på all slags elektronik – bilar, kameror, datorer – men har en särskild vinkel på Sveriges framskjutna position inom mobil kommunikation, tack vare bland andra Ericsson, och fokuserar därför främst på höghastighetselektronik.
– Mobila, snabba kommunikationer är så strategiskt viktiga för Sverige. Om vi ska vara framgångsrika på det området även i framtiden, måste vi hänga med i utvecklingen, säger Johan Liu.

Chalmers – Kolbaserat höghastighets elektroniksystem
Projektet forskar om framtidens högpresterande elektroniksystem, baserat på galliumnitridsubstrat och kolnanomaterial (grafen och kolnanorör), som nyckelfaktor för integration i framtida elektroniksystem bortom CMOS.
Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF) finansierar Chalmers deltagande under 2014–2019 med 32 miljoner kronor.
Grafen består av ett enda lager kolatomer i ett hönsnätsmönster. Grafen är starkare än stål men samtidigt lätt, böjbart och har mycket god elektrisk ledningsförmåga.
Chalmers tillverkar sin grafen själva, av råvaran grafit och genom kemisk ångdeponering. Upptäckten av grafen belönades med Nobelpriset i fysik år 2010.

Chalmers tekniska högskola
Kemivägen 9, MC2-huset

Kontakt: Johan Liu
Tel: 031-772 3067
E-post: johan.liu@chalmers.se
research.chalmers.se/project/6040