Grafen – känslan av en ny värld

(Översatt från Geoff Mortimer's artikel "Graphene – the sense of a new world")

Få material har inspirerat så många överdådiga rubriker inom vetenskapliga och industriella fält under de senaste 20 åren som grafen. Även om forskare kände till existensen av det en atom tjocka, tvådimensionella kristallmaterialet redan vid sekelskiftet hade ingen lyckats utvinna det från grafit. Men sedan under oktober 2004 gjorde två forskare vid University of Manchester, professorerna Sir Andre Geim och Sir Konstantin Novoselov, genombrottet med artikeln ”The electric field effect in atomically thin carbon films.” Deras arbete ledde slutligen till att de tilldelades Nobelpriset i fysik 2010.

Sedan dess har University of Manchester legat i framkant inom forskning och utveckling av grafen. Tusentals vetenskapliga artiklar har publicerats, och otaliga produkter och applikationer har föreslagits, från superdatorer och ultrasnabb elektronik till extra starka material. Även om vissa av de mer fantasifulla möjligheterna ännu inte har förverkligats, råder det liten tvekan om att dess inflytande i halvledarsektorn kommer att bli alltmer betydande, med industrier som strävar efter snabbare, effektivare och mer kompakta elektroniska enheter. Mer än 50 miljoner grafenförbättrade produkter finns redan på marknaden och erbjuder lösningar för produkter som sträcker sig från bilar, vattenfilter och solpaneler till flygplan, satelliter och löparskor.

Men vad är det med grafen som har väckt så mycket entusiasm, och vad gör det till ett överlägset alternativ till kisel inom halvledarsammanhang?

Framtidens material

Förutom att vara världens tunnaste material utmärker sig grafen genom sin fenomenala elektronrörlighet, cirka 500 gånger högre än kisel. Eftersom elektroner kan röra sig snabbt genom dess bivax-lika kristallgitter erbjuder det snabbare enhetsprestanda och förbättrad elektrisk ledningsförmåga.

När det gäller halvledare visar grafen (och andra 2D-material) användarpotential för flexibla elektroniska enheter tack vare dess atomiskt tunna egenskaper, höga mekaniska stabilitet och flexibilitet. Grafen är också en mycket bra termisk ledare, vilket kan vara till hjälp vid vidare miniatyrisering av enhetsstrukturer.

Professor Geim är för närvarande baserad vid University of Manchesters National Graphene Institute (NGI). NGI grundades för att driva banbrytande forskning inom grafen och relaterade 2D-material och har blivit ett globalt nav för banbrytande upptäckter. Vid sidan av NGI spelar Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC) en avgörande roll i att överbrygga klyftan mellan akademisk forskning och industriell tillämpning, och i att främja samarbete med över 400 företag världen över.

Sedan starten har GEIC bidragit till utvecklingen av över 500 grafenförbättrade projekt, från avancerade kompositer till nästa generations sensorer. Dessa innovationer är resultatet av strategiska partnerskap och projekt som syftar till att omvandla materialets utmärkande egenskaper till verkliga lösningar. Tillsammans har NGI och GEIC hjälpt till att lansera över 60 spin-off-företag och säkrat betydande investeringar, vilket stärker Manchesters rykte som "grafenets hemstad".

Andrew Strudwick, applikationschef för CVD och tryckning vid GEIC, förklarar i en intervju med Evertiq hur hans team stödjer dessa framsteg:

"Vid GEIC förser vi företag med verktygen, expertisen och den samarbetsmiljö som krävs för att utforska grafenets potential. Vårt team arbetar nära industripartners för prototyputveckling och uppskalning av nästa generations teknologier, vilket säkerställer att grafen smidigt övergår från laboratorium till kommersiella applikationer med brett genomslag. Detta tillvägagångssätt hjälper till att forma framtiden för elektronik, energi och materialvetenskap."

EU:s stöd

I Sverige etablerades Graphene Flagship med liknande mål som GEIC, inklusive 2D-pilotlinjen, och har gjort mycket för att demonstrera värdet av det säregna materialet. Det EU-vetenskapliga forskningsinitiativet inrättades 2013 med en budget på cirka 1 miljard euro, och arbetar tillsammans med över 100 företag och akademiska partners inom områden som sträcker sig från fordons- och flygindustrin till elektronik, energi, kompositer och biomedicin.

“Projektet bygger på grunden från Graphene Flagship Core 3 och 2D-EPL-projekten,” förklarar Inge Asselberghs, 2D-EPL-direktör och Graphene Flagship Science and Technology Officer. 

“I 2D-EPL fokuserade konsortiet på två materialklasser, grafen och TMDC (MoS2/WS2). Genom att använda de verktyg som finns tillgängliga i konsortiet och med den nya utrustningen har tillväxt- och överföringsmodulerna mognat avsevärt. Tillsammans med de nya investeringarna som planeras i nästa 2D-PL-projekt är målet att ytterligare utveckla tillverkningsprocesserna."

Organisationen säger sig ha inlett karriärerna för omkring 1 000 doktorander och postdoktorander, och skapat 20 spin-offs som sammanlagt samlat in mer än 170 miljoner euro i riskkapital, ansökt om mer än 80 patent och lanserat över 100 produkter på marknaden. Enligt en rapport från forskningsinstitutet WifOR kommer Graphene Flagship att ha bidragit med totalt 3,8 miljarder euro till BNP och skapat 38 400 nya jobb i de 27 EU-länderna mellan 2014 och 2030.

En värld av möjligheter

Inom halvledarbranschen är de huvudsakliga användningarna av grafen hittills sensorer, främst för gas- eller biosensing. Utöver sensorer och transistorer gör materialets höga elektriska ledningsförmåga och motstånd mot elektromigration det idealiskt för kretsförbindelser, vilket minskar energiförluster och förbättrar prestandan. Från vikbara smartphones till bärbar teknologi öppnar grafens flexibilitet och styrka upp nya möjligheter inom konsumentelektronik.

En ytterligare tillämpning är inom fotonik – grafenets interaktion med ljus driver innovation i fotodetektorer, modulatorer och andra fotoniska enheter som är kritiska för nästa generations kommunikationsnätverk.

Utmaningen med bandgap

Undermaterialet kommer dock inte utan sina utmaningar, varav den huvudsakliga är det så kallade ”band gap”.

Bandgap är energibarriärer för elektronrörelse som uppstår inom kristallstrukturer på grund av symmetrier. I kisel måste denna energibarriär övervinnas genom att applicera en spänning över transistorn för att elektronerna ska flöda. Enheten är därför "på" när elektronerna flödar och "av" när de inte gör det – ett beteende typiskt för en halvledare.

Grafen beter sig som en semimetall snarare än en halvledare. Energi­barriären som hindrar elektroner från att röra sig i avsaknad av extern spänning finns inte. Därför är det inte möjligt att helt "stänga av" enheten, vilket leder till problem med ökad strömförbrukning.

Under åren har stor möda har lagts på sökandet efter en lösning på problemet, inklusive att begränsa grafen till nanoband och använda alternativa enhetsgeometrier. Ett annat potentiellt viktigt genombrott kan komma från färska experiment vid Tianjin University där forskare har demonstrerat ett sätt att bilda ett grafenmaterial på ett kiselkarbidsubstrat som använder interaktionen vid gränssnittet mellan de två materialen för att skapa ett bandgap i den resulterande filmen.

Ett annat hinder är skalbarhet och grafenets integration med befintlig halvledartillverkning. Framsteg är dock betydande även här, särskilt genom initiativ som 2D-pilotlinjen, som syftar till att utveckla grafenteknologier för industriell användning, och erbjuder prototyptjänster för att överbrygga gapet mellan forskning och tillämpning.

Paragraf och Graphenea är bland de många företag som producerar grafenbaserade transistorer och sensorer för kommersiella tester, men det finns fortfarande en bit kvar att gå inom detta område, enligt Graphene Flagship’s Inge Asselberghs.

"Grafen bandgap-engineering är utmanande och kräver exakt processkontroll. Även om lovande exempel publiceras i litteraturen krävs betydande hänsyn till skalbarhet och kontrollerbarhet," säger hon.

Berättigad hajp?

Alla möjliga påståenden gjordes om grafenets potential för 20 år sedan, några mer realistiska än andra. Det finns fortfarande hinder på vägen, men Inge Asselberghs är övertygad om att framsteg kommer att göras, och berättar för Evertiq:

"Vid början av Graphene Flagship var folk till och med skeptiska till om kvalitativt grafen kunde odlas pålitligt i cm2-skala. Idag har vi redan kommit mycket längre. De investeringar som gjorts mot bearbetning på wafer-nivå och tillverkningen av relevanta demonstratorer är grunden för utvärdering av sensor-, fotonik- och elektronik­enheter,” säger hon, och inom halvledarfältet, som ensamt flyttar fram gränserna för prestanda och miniatyrisering, framstår grafen som ett nyckelmaterial som driver innovation och ger gott om skäl för optimism.

Kanske, som många forskare proklamerar, "har grafenrevolutionen bara börjat."