Genombrott för supermaterialet grafen

Framtidens supersnabba elektronik kräver nya material och det hetaste är grafen, ett enda lager av kolatomer. Grafen framställt med en metod från Linköpings universitet har nu i ett europeiskt samarbetsprojekt visat sig hålla samma höga kvalitet som kisel, vilket öppnar för storskalig produktion.

De lovande resultaten publiceras i nätupplagan av tidskriften Nature Nanotechnology. Forskargruppen vid LiU, ledd av professor Rositza Yakimova, visar tillsammans med forskargrupper vid Chalmers tekniska högskola, brittiska National Physical Laboratory och Lancaster University samt italienska Politecnico di Milano att det svensktillverkade grafenet medger en hög precision för kvantmekaniska effekter – något som annars bara uppnås i etablerade halvledare som kisel och galliumarsenid.

Hastigheten hos elektronerna i kisel – som används för att tillverka dagens processorer – har nått sin gräns. I grafen är elektronerna 100 gånger snabbare än i kisel, och forskare världen över försöker nu framställa materialet i tillräckligt hög kvalitet.

Tidigare har lovande egenskaper kunnat påvisas endast på små bitar av grafen. För att komma vidare måste man kunna tillverka materialet i större ytor för att göra wafers som kretsar kan byggas från. Forskningen fokuserar nu på att utgå från skivor av kiselkarbid, där man avlägsnar kisel från ytan och lämnar kvar ett lager av kolatomer. Fördelen är att tillräckligt stora skivor av kiselkarbid finns kommersiellt tillgängliga, men en svårighet har varit att kontrollera att grafen formas jämnt med tillräcklig kvalitet över stora ytor.

Mätningarna av grafenets elektriska egenskaper kunde genomföras med en extremt hög precision, en viktig förutsättning för att kunna skapa exakta standarder för materialet. En gemensam internationell standard krävs för att tillverkarna ska kunna mäta och garantera funktionen hos elektroniska komponenter.

– Mätningarna visar en fyra potenser eller 10 000 gånger högre precision än de bästa resultat som uppnåtts med grafen framställd genom avskalning (exfoliering) från grafit, säger Sergey Kubatkin, docent vid Chalmers tekniska högskola.

Resultaten ger för första gången en resistansstandard - ett mått på elektrisk motstånd som bara beror på naturkonstanter - som är användbar vid en temperatur av 4,2 K. De två resistansstandarder som funnits hittills är baserade på kisel eller galliumarsenid, fungerar bara vid lägre temperaturer och är betydligt svårare att använda.

Det material som nu testats framgångsrikt är tillverkat med en metod utvecklad av LiU-teamet Rositza Yakimova, Mikael Syväjärvi och Tihomir Iakimov.

- Studien visar att svensk forskning håller världsklass när det gäller att ta fram nya material med tillräckligt hög prestanda för framtidens elektronik, säger Mikael Syväjärvi, docent vid Institutionen för fysik, kemi och biologi.

Rent kol förekommer naturligt i många olika skepnader, från det mjukaste (grafit) till det hårdaste (diamant). Grafen består av ett enda lager av kolatomer ordnade i en vaxkakeliknande struktur. Materialet är mycket hårt och har hög ledningsförmåga.

Artikel: Quantum resistance standard based on epitaxial graphene av A. Tzalenchuk, S. Lara-Avila, A. Kalaboukhov, S. Paolillo, M. Syväjärvi, R. Yakimova, O. Kazakova, T.J.B.M. Janssen, V. Falko och S. Kubatkin. Nature Nanotechnology Advanced Online Publication, 17 januari 2010.

Kontakt:
Rositza Yakimova, professor, LiU, 013-282528, rosya@ifm.liu.se
Mikael Syväjärvi, docent, LiU, 013-285708, mikael.syväjärvi@ifm.liu.se
Sergey Kubatkin, docent, Chalmers, 031-772 5475, sergey.kubatkin@chalmers.se
Mikael Fogelström, professor, Chalmers, 031-772 3196, mikael.fogelstrom@chalmers.se