Ett besök på KTH
En solig dag i september tar vi oss till KTH och skolan för informations och kommunikationsteknik i Kista. Inom dessa väggar händer en hel massa spännande, både grundforskning och produktframtagning. Här experimenterar man med radiovågor, optiska fibrer, kvantfysik och, just det, nya halvledarmaterial.
En intressant trojka har mött upp för att underhålla oss med grafenets alla underligheter, Mikael Östling, professor i nanoelektronik och doktoranden Szymon Sollami Delekta (bläckstråle) och nyblivne doktorn Sam Vaziri (integrerade kretsar), vilka presenteras senare i texten.
– Grafen är kolatomer som sitter ihop i en hexagonal struktur, ungefär som hönsnät som är utfläkt som ett enda flak i en tvådimensionell struktur. Den konfiguration elektronerna hamnar i, gör att ledningsförmågan blir vansinnigt bra. Det svåra har visat sig vara att bibehålla de elektriska och mekaniska egenskaperna under hanteringen. Så fort man behandlar materialet, förlorar det allt mer av de fantastiska egenskaperna och vad vi försöker göra är att påverka materialet så lite som möjligt. Det är en utmaning att få det att fungera industriellt, berättar professor Östling.
Den första artikeln av duon Geim och Novoselov som fick nobelpriset skrevs år 2004, men vi började forska aktivt år 2010. Min grupp, Integrerade komponenter och kretsar, har undersökt grafen som ett tilläggsmaterial till vanliga kiselkretsar, kiselkarbid och germanium. Vi jagar hela tiden nya material som får komponenterna att switcha fortare, ge lägre energiförluster och åstadkomma mera minne på en befintlig yta.
Gör inte misstaget att tro att grafen är en halvledare. Tvärtom, det är så mycket ledare som det bara går. Grafen har inget alls med halvledarna i kislet att göra. Det är en tvådimensionell elektrisk ledare som bara deponeras ovanpå kiselytan och får fungera som styre, gate eller bas i lämplig transistor.
Det finns grovt räknat fyra sorters ledare, med olika ytresistivitet (räknas i ohm/kvadrat). Ska man jämföra med grafen är det bara ytresistiviteten som räknas. Halvledaren är en usel ledare för att elektronerna har svårt att ta sig fram i materialet. De möter motstånd.
Koppar är en god ledare (~1 ohm/kvadrat) men i och med att materialet är tredimensionellt, eller uttryckt annorlunda, en kopparbit har en viss tjocklek, kan elektronerna man stoppar in i ena änden spridas i materialet på sin väg och tappa fart (volymresistiviteten är 1,68x10–8 ohm*meter). Spridning betyder motstånd.
Grafen är nästa steg. Då materialet är tvådimensionellt (~0,3 nm tjockt) och inte har någon egentlig volym kan elektronerna som flyter in i ena änden inte spridas, utan tvingas fara rakt fram. Det betyder mycket lite motstånd (10–6 ohm/kvadrat). Ju tunnare grafenet är, desto bättre leder det ström, paradoxalt nog. Den fjärde typen av ledare är supraledaren. Den erbjuder inget motstånd alls (noll ohm), utan elektronerna far rakt igenom utan hinder.
Det går inte att direkt omvandla kopparns volymresistivitet till ytresistivitet, men skulle man göra koppar tunt som ett atomlager, skulle det får ungefär 200 gånger högre ytresistivitet än grafen. Omvänt betyder det att om man skulle använda sig av en metall i basmaterialet i en transistor som skulle ha samma ytresistivitet som grafen, skulle den behöva bli väldigt mycket tjockare och därmed långsammare.
Grafenets nyckelegenskap är den höga elektronmobiliteten. Elektronerna flyter fram med en hastighet som är nästan 1/300 av ljushastigheten (mobilitet 200 000 cm2/Vs), snabbare än i något annat material. Det går exempelvis 148 gånger fortare än i kisel. Det betyder i praktiken att det går fort att fylla en grafenkomponent med elektroner. (Strömmen går alltid med ljushastigheten i mediet, men det är en helt annan sak.) I praktiken sjunker dock mobiliteten från 200 000 cm2/Vs till 5 000 när integrationen på kislet är klar. Det är därför forskningen fortsätter.
Det som inger mest hopp för framtiden är att grafenet är icke-exotiskt. Det kräver inga särskilda förutsättningar för att fungera, inga kryogeniska temperaturer, inget vakuum eller underliga högspänningar. Tvärtom fungerar det i helt vanligt atmosfärstryck i rumstemperatur. De kvantfysiska effekterna fungerar också bra i rumstemperatur.
Att försöka göra kraftledningar med grafen är emellertid att tänka fel. Där är koppar eller aluminium överlägset. Men har man behov av en ledare som är tunn som ett enda atomlager, är grafen oslagbart.
