Etikettarkiv: Material

Innovativ metod banar väg för framtida elektronik

Karl Rönnby, doktorand, Polla Rouf, doktorand, Henrik Pedersen, professor, Chih-Wei Hsu, förste forskningsingenjör och Nathan O’Brien, biträdande universitetslektor på Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg
Karl Rönnby, doktorand, Polla Rouf, doktorand, Henrik Pedersen, professor, Chih-Wei Hsu, förste forskningsingenjör och Nathan O’Brien, biträdande universitetslektor på Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg

Mobiler, datorer och trådlös överföring av data kan förbättras med den nya metod som forskare vid Linköpings universitet har tagit fram. Bättre egenskaper för halvledande metallnitridfilmer ger elektroingenjörer redskap för att bygga bättre elektronik.

All elektronik bygger på halvledare som kan fås att leda ström på ett kontrollerat sätt. Professor Henrik Pedersens forskargrupp vid Linköpings universitet utvecklar metoder för att skapa tunna metallnitridfilmer med bättre kvalitet, vilket kan förbättra framtidens elektronik. Projektet får bidrag från SSF.

Använder tiden i kemin
En grundprocess för tillverkning av ytskikt och tunna lager av olika material är Chemical Vapour Deposition (CVD). Olika gaser leds in i en ugn samtidigt och får reagera med varandra och den yta som tunnfilmen ska finnas på. Processen har vissa begränsningar, och utgångspunkten för projektet var att utveckla metoden för att kunna göra bättre halvledarmaterial.
– Genom att använda tiden på ett smart sätt kan vi få kemin att fungera bättre. Det vi ville testa var om det gick att förbättra kvaliteten på filmerna genom att tidsupplösa tillförseln av gaserna i CVD. En gas i taget skickas in i ugnen på ett tidsbestämt och väldigt kontrollerat sätt. Metoden kallas för ALD och står för atomlagerdeponering – vi deponerar ett lager atomer åt gången som får reagera med den yta som metallfilmen ska finnas på, berättar Henrik Pedersen.
Forskargruppen jobbar med metallerna aluminium, gallium och indium. När dessa metaller reagerar med kväve, bildas nitrider som är vanliga material i halvledare. Galliumnitrid är till exempel grunden för alla ljusdioder.

Lägre temperaturer krävs
– Framför allt indiumnitrid är väldigt temperaturkänslig och fungerar därför inte med den traditionella CVD-processen. En superspännande egenskap hos ämnet är att elektroner förflyttar sig väldigt enkelt genom det. Därför är indiumnitrid lämpligt vid utveckling av elektronik som kan överföra data vid högre frekvenser. Dagens överföring av trådlös dataöverföring slår snart i taket eftersom vi inte kommer att ha tillräckligt med frekvenser att överföra i. Då måste vi upptäcka material som kan komma åt nya frekvenser. Indium-nitrid är ett sådant ämne, säger Henrik Pedersen.
Annan elektronik som kan förbättras med hjälp av nya material är till exempel mobiltelefoner, datorer, ljusdioder och radarutrustning.

Plasma hjälper kemin på traven
I den nya metoden används också plasmaurladdningar för att underlätta kemin och skapa reaktioner vid lägre temperatur. Henrik Pedersen berättar hur det fungerar:
– Vissa molekyler som reagerar lite trögare kan brytas ner genom att vi lägger på ett elektrisk fält kring gasen. Då slits atomerna isär så att fria elektroner och joner skapas. Så fungerar det i plasmaskärmar, lysrör och norrsken. Med hjälp av denna metod kan vi skapa material vid lägre temperatur. Vi hjälper kemin på vägen med hjälp av plasma och tidsupplösning.

Skapat helt ny molekyl
Forskargruppen är världsledande på metoden ALD för nitrider av aluminium, gallium och indium. Man har precis publicerat en studie kring en helt ny molekyl som ingen någonsin tidigare har gjort eller använt. Studien visar att molekylen fungerar väldigt väl i processen för att skapa indiumnitrid. Forskarna har även visat att indiumnitriden kopierar ytans struktur, vilket är en egenskap som är viktig när man skapar halvledarkomponenter.
– Vi har visat att grundidén för projektet funkar. Nu finns det ett sätt att göra indiumnitrid i elektronik. Det innebär att vi låser upp problem och ger elektroingenjörer möjligheter att tänka i nya banor, säger Henrik Pedersen.

Ännu fler möjligheter i sikte
Nästa steg som Henrik Pedersens grupp tittar på är kombinationer av de olika ämnena. Hittills har de gjort ren aluminium-, gallium- respektive indiumnitrid.
– Nu ska vi börja blanda ämnena och göra till exempel aluminiumgalliumnitrid – en blandning av aluminium, gallium och kväve. Genom att blanda ämnena i olika förhållanden, kan vi få fram spännande materialegenskaper.
Ett annat område forskarna sneglar mot är att med kemins hjälp följa ytans struktur ännu lättare:
– Vi vill öppna upp för möjligheterna att i framtiden att skapa ännu mer komplicerade elektroniska komponenter där materialet måste ner i små hål. Det kan du bara göra med tidsupplöst CVD. Genom att komma åt fler egenskaper, öppnas nya möjligheter upp inom elektroniken.

LiU – Framtidens Elektronik

Forskningsprojektet på Linköpings universitet leds av professor Henrik Pedersen och får bidrag från Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF. Målet med denna materialforskning är att möjliggöra spännande utveckling av elektronik.

För mer information, kontakta:
Professor Henrik Pedersen
E-post: henrik.pedersen@liu.se
Tel: 013-28 13 85

Tandemlaboratoriet möter framtidens krav

Daniel Primetzhofer, föreståndare för Tandemlaboratoriet på Uppsala universitet, här vid en av de totalt 11 av laboratoriets strålrör. Foto: Mikael Wallerstedt
Daniel Primetzhofer, föreståndare för Tandemlaboratoriet på Uppsala universitet, här vid en av de totalt 11 av laboratoriets strålrör. Foto: Mikael Wallerstedt

Tandemlaboratoriet vid Uppsala universitet är en världsledande infrastruktur för analys och modifieringar av material samt masspektrometri. Här möts framtidens krav från forskning, myndigheter och näringsliv.

Tandemlaboratoriet är det största och modernaste jonstrålecentrumet i Norden, sett till storlek och kapacitet, och infrastrukturen är öppen för både forskning och näringsliv. Här erbjuder fyra partikelacceleratorer icke-destruktiv materialanalys på nanometernivå, jonbestrålningar och masspektrometri. Med praktiska och tekniska tillämpningar inom en lång rad områden är laboratoriet av särskilt nationellt intresse.

Från kol-14 till tunnfilm
– Den mest allmänt kända tillämpningen är nog kol-14-datering som används mycket inom arkeologi, men också inom kriminologi och klimatrelaterade frågeställningar, säger föreståndaren Daniel Primetzhofer.
Men det är långt ifrån den enda. Tandemlaboratoriets tekniker ger information på nanometernivå om ett materials kemiska sammansättning och struktur, och hur materialet förändras i olika miljöer relaterat till dess egenskaper. Acceleratorerna kan också ge kunskap om mänsklig vävnads regenerativa förmågor. Med en sådan bred nytta har medicin, fordon, it och telekom och många andra industrier glädje av laboratoriets kompetens. Totalt har laboratoriet över 400 användare per år, från forskning, industri och myndigheter.
– Att koppla olika materialegenskaper med den exakta sammansättningen är otroligt viktigt för utvecklingen av nya, bättre och skräddarsydda material. Vi kan till exempel karaktärisera alla möjliga tunnfilmssystem som är avgörande för hela vårt högteknologiska samhälle.

Särskilt nationellt intresse
Sedan 2016 stödjer SSF utvecklingen av laboratoriet. I september 2019 beviljades Tandemlaboratoriet dessutom ett nytt anslag från Vetenskapsrådet på totalt 16 miljoner kronor fram till 2024. Under projektnamnet Acceleratorbaserat jonteknologiskt konsortium och i samarbete med KTH och Linköpings universitet, ska anslaget användas för att vidareutveckla verksamheten och metoder.
– Den stora utmaningen är att utveckla instrumenten till att matcha efterfrågan hos forskning och industri. Nanoteknologin utvecklas och våra materialprover kommer att bli mindre och mindre och känsligare och känsligare för påverkan från miljöerna utanför våra maskiner. För att kunna ta fram relevant information behöver vi maskiner som i princip kan göra allt, både skapa materialsystem och modifiera dem i kombination med analysen, säger Daniel Primetzhofer.

Uppsala universitet – Tandemlaboratoriet

Tandemlaboratoriet är världsledande inom acceleratorområdet och erbjuder såväl forskning som näringsliv en infrastruktur för:

• Icke-destruktiv karaktärisering av materialsammansättning på nanometernivå.
• Jonstråleinducerad materialmodifiering för anpassning av materialegenskaper.
• Extremt känslig masspektrometri inom medicin, biologi, arkeologi och geologi.

Laboratoriet ligger i Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet.
tandemlaboratoriet@physics.uu.se
www.tandemlab.uu.se

Material i fokus på Vinnova

Margareta Groth, enhetschef på Industriell utveckling på Vinnova. Foto: Anette Andersson
Margareta Groth, enhetschef på Industriell utveckling på Vinnova. Foto: Anette Andersson

Materialvetenskap är ett av Sveriges viktigaste forskningsområden och av största vikt för den svenska industrin. Det är därför ett av Vinnovas prioriterade områden, med ett stort antal satsningar.

Vinnova är en statlig forskningsfinansiär med uppdrag att stärka Sveriges innovationsförmåga och på så sätt bidra till en hållbar tillväxt. Myndighetens verksamhet spänner över ett brett spektrum och ett viktigt fokus är Industri och material, som är ett av Vinnovas största enskilda områden.
– Mycket av den främsta svenska industrin är byggd på ett starkt materialkunnande, så det är i högsta grad av stor strategisk vikt för Sverige. Se bara på företag som Sandvik och SSAB. Sverige har länge legat i framkant, säger Margareta Groth, vid avdelningen Industriell utveckling, där hon är chef för den enhet som samlar Vinnovas materialprogram.

Nya material
Men det är inte bara de tunga, traditionella industrierna som bygger på materialkompetens i framkant. Sverige har också spetsforskning inom nya material, till exempel grafen. Programmet SIO Grafen har som mål att Sverige ska bli ett av världens tio främsta länder på att utnyttja grafen.
– Grafen har enormt många användningsområden och potential att lösa viktiga framtidsutmaningar. Här är Sverige väldigt kunskaps- och innovationstungt, berättar Margareta Groth.
Biomaterial är ett annat område som Vinnova satsar på, med exempelvis programmet Bioinnovation, för att ersätta fossilbaserade material. ForestValue är ett annat projekt, där man arbetar för att främja träbaserade material och skogsindustrin.
Additiv tillverkning, eller 3D-printing är ett nytt, spännande område, där Vinnovafinansierade projektet CAM2 vid Chalmers har fått stor uppmärksamhet och finansiering från EU. Vidare är FoU inom batterier ett viktigt område, med exempelvis SweBAL vid Uppsala universitet. Ytterligare en satsning är FunMat vid Linköpings universitet, där man forskar om funktionella ytor för exempelvis verktyg, bränsleceller och batterier.

”Mycket av den främsta svenska industrin är byggd på ett starkt materialkunnande.”

Material är nyckelfaktor
Några andra exempel på Vinnova-program är Materialbaserad konkurrenskraft och Industriell utveckling, där materialforskning omsätts i tillämpning inom industrin.
– En utmaning är att innovationer inom material kan vara svåra att få in i samhället och industrin eftersom vi inte har utvecklade värdekedjor för nya material. Därför är det viktigt att arbeta brett och med flera olika material, säger Margareta Groth och fortsätter:
– En stor fördel för Sverige är att vi har forskningsinfrastrukturen MAX IV och snart även ESS, som verkligen ger en boost till svensk materialforskning. Innovativa, lätta och energieffektiva material är en nyckelfaktor för att möta klimatmålen.

Materialforskning får nya möjligheter

Docent Magnus Hörnqvist Colliander och Anand H.S. Iyer på Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Docent Magnus Hörnqvist Colliander och Anand H.S. Iyer på Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav

Snart kan fler laboratorier mäta mekaniska egenskaper på mikroskala. Materialforskningen gynnas när modifiering av ett existerande verktyg möjliggör testning i tre dimensioner – till en rimlig kostnad.

När Magnus Hörnqvist Colliander och hans medarbetare på Chalmers skulle utföra mätningar i ett forskningsprojekt, upptäckte de att utrustning de hade tillgång till hade stora begränsningar. Samtidigt föddes idén om att just de egenskaperna som var begränsande skulle kunna utnyttjas för att skapa ett mer mångsidigt och tillgängligt system.
– Det finns väldigt bra utrustning men den är dyr och oflexibel. Idén med det här projektet är att ta ett mätinstrument som kostar en bråkdel av de specialiserade utrustningarna, och utveckla en metodik som möjliggör inte bara liknande mätningar men även nya typer av tester. Precisionen blir inte densamma, men tillräckligt bra för väldigt många tester, berättar Magnus Hörnqvist Colliander.

Nya möjligheter för fler labb
– En styrka är att mätinstrumentet redan finns på marknaden. Ett labb som vill utföra denna typ av provning har snabbt tillgång till en robust utrustning till ett relativt lågt pris. Vi tillhandahåller möjligheten att använda den på ett nytt sätt.
Magnus Hörnqvist Colliander tror att många typer av laboratorier kommer att ha nytta av den nya metodiken:
– Akademiska labb har mindre resurser och då är priset viktigt. För industriella laboratorier kan det vara svårt att motivera en utrustning som bara används ibland. Om utrustningen är betydligt billigare och går att använda till fler tester, blir det lättare att motivera inköpet.

Komplicerade material utmanar
Magnus Hörnqvist Colliander och hans team vill tillgängliggöra möjligheten till provning av mikromekanik i tre dimensioner för att driva materialforskning framåt.
– Material byggs från atomnivå och uppåt på ett mycket avancerat sätt. Ju mer komplicerat det blir, desto mer behöver du förstå hur varje del uppför sig. Du kan även modellera material genom att börja i liten skala och bygga upp modeller för att förutse egenskaper på makronivå. Då kan den här typen av mätningar användas för att utveckla och validera modellerna.
Exempel på tillämpningsområden är superlegeringar i flygmotorer och beläggningar på skärverktyg. Båda är stora industrier där det är viktigt att förstå materialegenskaper för att driva utvecklingen vidare.

Chalmers – Mätning på mikroskala

Genom att tillgängliggöra en metodik för att mäta mekaniska egenskaper på en väldigt liten skala, vill forskare på Chalmers hjälpa laboratorier att förstå avancerade material. Projektet får bidrag från Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF.

För mer information, kontakta:
Magnus Hörnqvist Colliander, docent, Chalmers
Tel: 031-772 33 06
magnus.colliander@chalmers.se

Kartlägger teori för material med hjälp av superdatorer

Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet. Foto: Magnus Johansson, Linköpings universitet
Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet. Foto: Magnus Johansson, Linköpings universitet
Björn Alling har med hjälp av superdatorer tagit fram en beräkningsmetod som visar vad som händer i magnetiska material när de utsätts för höga temperaturer. Ett viktigt framsteg som kan leda till en mer beräkningsstyrd utvecklingsprocedur inom hela materialvetenskapsindustrin.

Historiskt sett har experiment varit den definierande metodologin inom materialvetenskapen, sedan har fysikens teorier använts för att förstå och förklara resultaten.
– Vi vill göra tvärtom, säger Björn Alling, forskare i teoretisk fysik vid Linköpings universitet.
Han berättar att det senaste decenniet fört med sig stora genombrott inom teoretisk materialforskning. Forskarna vet idag vilka beräkningsmetoder som är de mest noggranna och har även fått tillgång till superdatorkrafter för att göra beräkningarna. Det finns dock fortfarande ett antal kunskapsluckor, inte minst inom området magnetiska material.
– Det har inte funnits metoder för hur man utifrån kvantmekanisk noggrannhet tar hänsyn till såväl magnetiska temperaturer som vibrationseffekter och andra typer av oordning som finns i materialen. Det är här vår forskning kommer in i bilden.

Milstolpe
Resultaten har inte låtit vänta på sig. I höstas publicerade forskargruppen en uppmärksammad artikel i den ansedda vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters.
– Vi har tagit fram en metod som förenar teorin för magnetisk och vibrationell oordning vid höga temperaturer. Ingen före oss har fått beräkningarna att stämma med hur materialet fungerar i verkligheten. Vår metod sätter nu standard för hur den här typen av beräkningar kan utföras med högsta möjliga ambitionsnivå.
Forskargruppen arbetar nu vidare med metoden i syfte att generalisera dess tillämpbarhet och göra den enklare att använda.
– Målet är att vår forskning ska bidra till att materialvetenskapen kan dra maximal nytta av den revolution som sker inom datorvetenskapen och på hårdvarusidan. På längre sikt hoppas jag att vår forskning kan vara en pusselbit i arbetet med att skynda på de teknikomställningar som krävs för att lösa de stora samhällsutmaningarna inom klimat och miljö, avslutar Björn Alling.

Linköpings universitet
Nya material kan lösa många av de stora utmaningar som världen står inför. Björn Alling har 12 miljoner kronor i forskningsanslag från Stiftelsen för strategisk forskning där forskningsinriktningen är att med hjälp av super­datorberäkningar och kvantmekanik skynda på utvecklingen av nya material.

Linköpings universitet
581 83 Linköping
www.liu.se

Materialvalen styr samhällsutvecklingen

Gert Nilson, teknisk direktör på Jernkontoret.
Gert Nilson, teknisk direktör på Jernkontoret.
Utveckling av nya material har styrt människans olika utvecklingssteg, från järn- och bronsåldern till dagens avancerade material. Vad nästa steg blir vet ingen, men säkert är att det är materialvalen som lägger grunden för utvecklingen.

Det konstaterar Gert Nilson, teknisk direktör på Jernkontoret, den svenska stålindustrins branschorganisation.
– Om tio miljarder människor om 50 år ska ha lika hög levnadsstandard som en miljard hade för 50 år sedan så inser man att jordens resurser behöver utnyttjas otroligt mycket mer effektivt framöver, och det styrs framför allt av hur vi utvecklar och väljer material.
Stålindustrins utmaning är större än många andra branscher då deras grundprocesser släpper ut mycket koldioxid.
– Det är mycket effektiva processer vi har i Sverige, men koldioxiden måste försvinna. Därför drivs bland annat HYBRIT, ett forskningsprojekt med målet att till 2035 ha utvecklat en helt fossilfri stålprocess, och det finns en plan för de andra utsläppen också

Efterlyser framtidens innovatörer
Redan nu har väldigt mycket gjorts som bidrar till en hållbar industri och ett hållbart samhälle, nya materialkvaliteter har utvecklats som gjort att betydligt tunnare gods kan ge högre hållfasthet och sänka vikten på exempelvis en bil.
– Så vi har inte gjort något fel hittills, tvärtom. Vi måste bara inse att vi behöver helt andra lösningar för att skapa en hållbar värld för de tio miljarder människor vi är på väg att bli.
Gert Nilson nämner olika utmaningar i den klimatomställning som nu sker. En är den ökade elektrifieringen av produkter som skapar snabbt ökade behov av vissa sällsynta metaller till batterier.
– Hur ska man kunna elektrifiera världen utan att skapa lika stora problem som de man löser? Ska vi lyckas behöver vi göra samma resa som exempelvis datorminnen. För inte så länge sedan kunde ett usb-minne bara lagra ett antal MB, idag är vi uppe i många GB tack vare avancerad materialteknik som skapat möjligheter att packa mycket mer data på ett litet chip.
Motsvarande utveckling måste ske inom många andra områden.
– För att lyckas med det behöver vi unga innovativa medarbetare som kan hjälpa oss hitta nya angreppssätt som kan lösa framtidens utmaningar, avslutar Gert Nilson.

Jernkontoret
Jernkontoret tillvaratar stålindustrins intressen genom att verka för bästa möjliga förutsättningar för verksamheten i Sverige.

Jernkontoret
Kungsträdgårdsgatan 10
111 87 Stockholm
Tel: 08-679 17 00
E-post: office@jernkontoret.se
www.jernkontoret.se

Kvantforskning tar kliv in i stålindustrin

Från vänster: Song Lu, Valter Ström, Raquel Lizarraga, Claudio Lousada, Levente Vitos, Pavel Korzhavyi, Xiaoqing Li, Stephan Schönecker och Stefan Jonsson (saknas gör Rolf Sandström).
Från vänster: Song Lu, Valter Ström, Raquel Lizarraga, Claudio Lousada, Levente Vitos, Pavel Korzhavyi, Xiaoqing Li, Stephan Schönecker och Stefan Jonsson (saknas gör Rolf Sandström).
Steget mellan avancerad grundforskning och dess tillämpning på verkstadsgolvet behöver inte vara långt.
Professor Levente Vitos och hans team på KTH visar hur grundläggande kvantmekanik kan omsättas i smarta metoder och produkter i stålindustrin.

Levente Vitos, professor i tillämpad materialfysik, leder den nyligen etablerade Enheten för egenskaper vid Institutionen för materialvetenskap på KTH. Där arbetar han och hans tvärvetenskapliga grupp över ett brett fält, som spänner från kvantmekanisk grundforskning till nyttiggörande av de teoretiska modellerna inom svensk industri.
– Vi är en av få grupper internationellt som kombinerar en så bred kompetens i såväl grundforskning som tillämpning och samtidigt arbetar i nära samverkan med industrin. Vår styrka är de synergier som uppstår i det interdisciplinära arbetssättet, och tack vare det är våra resultat mycket robusta, säger han.

Mångsidig samverkan
Verksamheten inom enheten omfattar sammanfogad teoretisk-experimentell forskning om de mekaniska, kemiska och magnetiska egenskaperna hos högteknologiska material. De teoretiska prediktionerna verifieras av laboratorietester ”in-house” och därefter i en industriell miljö. Tack vare bidrag från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, inom ramen för programmet Strategisk mobilitet, har gruppen nära samarbetsprojekt med stålindustrierna Outokumpu samt Sandvik Coromant och Sandvik Materials Technology. Enheten har även samarbeten som går långt tillbaka med Scania och SKB.
– Interaktionen mellan akademin och industrin är avgörande för att nyttiggöra vår forskning och vi vill utveckla detta ytterligare, med nya samarbeten. Det är först de senaste 15 åren som de kvantmekaniska modellerna varit tillräckligt exakta för att kunna tillämpas i industrin. Vi upplever en revolution, säger Levente Vitos.

Unga ”kvantsmeder”
Han framhåller att företagen är experter på sina produkter och produktionslinjer och har stor kunskap om vad de ska göra och hur det ska göras.
– Vi besvarar frågan om varför material uppför sig på ett visst sätt på atomnivån, så att industrin kan utveckla mer kostnads- och tidseffektiv intelligent design.
En av Levente Vitos hjärtefrågor är att bidra med fler av det han kallar ”kvantsmeder” som kan medverka till att lyfta den svenska stålindustrin till nya positioner.
– Det är enormt värdefullt med unga forskarstuderande med en solid bakgrund i kvantmekanik som går in och bedriver forskning i samverkan med industrin. De är nyckeln för att svensk stålindustri ska kunna hävda sig i den allt hårdare internationella konkurrensen.

KTH – Institutionen för Materialvetenskap
Institutionen för Materialvetenskap ansvarar för forskning och undervisning inom allt från konstruktionsmaterial till avancerade material.
Enheten för egenskaper forskar om förhållandet mellan mekaniska, teknologiska och magnetiska egenskaper, liksom sammansättning och mikrostruktur hos material, både ur ett grundläggande och ett tillämpat perspektiv
Institutionen är medlem i Scientific Group Thermodata Europe (SGTE).
www.met.kth.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