Foto: Thorkild Amdi Christensen

2D-materialer er mere end grafen

mandag 10 dec 18
|
af Morten Andersen

DTU Ørsted-forelæsninger

Flere gange om året inviterer DTU nogle af verdens førende forskere til at forelæse om deres fagområde, forskningsresultater og perspektiverne i deres forskningsområde på DTU i Kgs. Lyngby. Forskernes fagområder har alle snitflader til forskningen på DTU.

Forelæsningerne er åbne for alle.

Se eller gense videoer med tidligere forelæsere, og få information om kommende DTU Ørsted-forelæsninger:

kortlink.dk/rn56

Blå bog

Steven G. Louie er professor i teoretisk fysik ved University of California, Berkeley. Han tog sin ph.d. ved samme universitet i 1976.

Efter at have arbejdet ved IBM Thomas J. Watson Research Center, Bell Labs og University of Pennsylvania blev han ansat ved University of California, Berkeley, i 1980.

Steven Louie er medlem af bl.a. National Academy of Sciences, American Physical Society og American Association for the Advancement of Science. Han har modtaget en lang række videnskabelige hædersbevisninger for sit arbejde i krydsfeltet mellem materialeforskning, fysik og nanoteknologi.

Grafen tog alle med storm i nullerne. Men verden er fyldt med alternative 2D-materialer, og nogle af dem kan have potentialet til at revolutionere elektronikken, mener professor Steven G. Louie fra University of California, Berkeley.

Flere gange under interviewet løfter Steven G. Louie papiret på bordet. Det er imidlertid ikke teksten, der interesserer ham. Sedlen er flad ligesom de forskellige materialer i atomtynde lag, der udgør emnet for hans arbejde som professor i fysik ved University of California, Berkeley. Det tilfældige A4-ark er en belejlig model for 2D-materialer. I Steven Louies hænder bliver det snart til grafen, så til molybdænsulfid, senere stakket i lag med andre materialer og undervejs virtuelt udsat for forskellige magnetfelter, temperaturer og lys.

”Siden isoleringen af grafen i 2004 er forskningen i 2D-materialer accelereret. Igen og igen viser de sig at have egenskaber, som er markant anderledes end egenskaberne for de samme materialer normalt,” siger Steven Louie, der i forbindelse med sit besøg på DTU holdt en Ørsted-forelæsning. I den videnskabelige litteratur er der i dag beskrevet flere end tusind forskellige 2D-materialer. Af dem har grafen fået klart størst opmærksomhed. Det skyldes ikke kun, at grafen var det første 2D-materiale på banen, men også en række unikke egenskaber. F.eks. er grafen tusind gange stærkere end stål og leder varme dobbelt så godt som kobber. Desuden er det muligt at fremstille grafen med fremragende evne til elektrisk ledning eller grafen, der er transparent.

”Det er alt sammen højst interessante egenskaber. Der er ingen tvivl om, at der fortsat vil blive forsket meget i grafen fremover. Alligevel mener jeg, at tiden er kommet til at anlægge et bredere fokus. Det gælder især, hvis man interesserer sig for anvendelser inden for elektronik. Her mangler grafen simpelthen båndgab,” siger Steven Louie om den egenskab, der afgør, hvor anvendeligt et materiale er i f.eks. computere.

Molybdænsulfid er attraktivt

Et fast materiale kan enten være elektrisk ledende, elektrisk isolerende eller halvledende. Den afgørende faktor for, hvilken af de tre grupper et materiale tilhører, er, hvor let det er at bringe en elektron i materialet i bevægelse. Den mængde energi, som det kræver at bringe en elektron i bevægelse, kaldes båndgabet. I de elektrisk ledende materialer er der ikke noget båndgab – elektronerne kan vandre frit. Helt modsat er situationen hos de elektrisk isolerende materialer, hvor båndgabet er så stort, at det i praksis ville være uforholdsmæssigt dyrt at overvinde. I den tredje gruppe, halvlederne, er båndgabet lille. Det vil sige, at man kan bringe elektroner i bevægelse ved at tilføre en beskeden mængde energi, som enten kan komme fra varme eller lys. Og i modsætning til de helt ledende materialer som grafen har man i halvlederne fuld kontrol over, hvornår elektronerne skal vandre. Derfor er halvleder-materialer rygraden i nutidens computere.

”Grafen har mange enestående egenskaber, men til anvendelser i fremtidens kvantecomputere vil det formentlig være bedre at benytte 2D-materialer med båndgab,” slår Steven Louie fast. Sammen med kolleger har han studeret molybdænsulfid, som netop har båndgab. I materialet er hvert molybdænatom kovalent bundet til seks svovlatomer i en prismefigur. Ved hjælp af teknikken kemisk pådampning fremstillede forskergruppen trekantede enkelt- og tolagssystemer af molybdænsulfid.

Stakkede 2D-materialer til computeren

Ligesom andre 2D-materialer har 2D-molybdænsulfid i sig selv stor styrke, men når man stakker det, er kraften, som holder to lag sammen, svag. Lagene bliver holdt sammen af den såkaldte van der Waals vekselvirk” kemisk binding.

" I naturen kan man finde mange eksempler på lagdelte materialer. Der er stor sandsynlighed for, at mange af dem kan fremstilles i 2D eller næsten-2D-versioner."
Professor Steven G. Louie, University of California, Berkeley

Ved hjælp af fotoluminescens påviste gruppen, hvordan vekselvirkningen mellem de forskellige lag i stakken kan udnyttes til at regulere den elektroniske båndstruktur i molybdænsulfid. Dermed er det muligt at skræddersy materialet, så en ganske lille tilførsel af energi er nok til at få elektroner til at vandre i materialet. Med andre ord kan materialet blive perfekt til at sidde i en kvantecomputer.

”Det er spændende, at man i høj grad kan tune de elektriske og optiske egenskaber i systemet ved at ændre den præcise afstand mellem to lag i stakken. Afstanden kan tilpasses enten under fremstillingen af materialet eller ved senere at påføre et ydre tryk. Muligheden for at regulere de optiske, mekaniske og elektriske egenskaber i systemer åbner for nye anvendelser i apparater,” siger Steven Louie.

Husk, at vi lever i en 3D-verden!

Steven Louie gør sig også overvejelser om, hvordan den lille mængde energi, som skal tænde for elektronernes vandring, bedst kan tilføres:

”Vi kan benytte magnetfelter, temperaturændringer eller lys. Endnu er det for tidligt at sige, hvilken teknik der vil egne sig bedst til formålet.”

Desuden skal metoden naturligvis kunne indbygges i et apparat: ”Vi udtænker vores systemer i 2D, men vi skal jo lige huske på, at vi faktisk lever i en 3D-verden!” Som teoretisk fysiker bliver det ikke Steven Louie selv, der fremstiller apparaterne, men han forsøger altid at holde et vågent øje med anvendelser:

”Vi laver grundforskning, men inden for materialeforskning er der aldrig langt til praktiske anvendelser.”

Søger inspiration i naturen

Stadig flere 2D-materialer kommer til, og blandt dem er der især én type, som interesserer Steven Louie:

”I naturen kan man finde mange eksempler på lagdelte materialer. Der er stor sandsynlighed for, at mange af dem kan fremstilles i 2D eller næsten-2D-versioner. I så fald vil de have den meget store praktiske fordel, at de er meget stabile. Hvis de ikke var stabile, ville de ikke eksistere i naturen!”

I takt med at mange flere 2D-materialer bliver stadig grundigere undersøgt, er Steven Louie ikke i tvivl om, at der også venter en strøm af overraskende videnskabelige opdagelser forude:

”For nylig er det påvist, at elektroner – der som bekendt har masse – i visse 2D-systemer opfører sig, som om de var masseløse partikler i lighed med fotoner. Det er endnu et eksempel på, at de begrænsninger, som 2D-materialer sætter for elektroners opførsel, forårsager fænomener, der er helt anderledes i forhold til de samme materialer i 3D. Det er virkelig spændende at befinde sig i et felt, hvor der med få års mellemrum kommer opdagelser, der udvider vores forståelse af den grundlæggende fysik, samtidig med at der åbner sig en vifte af mulige praktiske anvendelser.”