Grafen:Vidundermateriale til elektronik, computere og mere

Du tror måske, at sådan et nyt 'vidundermateriale' ville ligge uden for din hverdagsoplevelse, men grafen er undtagelsen. Når du skriver eller tegner med en blyant, grafitten (blyantens 'bly') glider af i tynde lag for at efterlade et spor - stregen på papiret. Kulstofs evne til at danne et tyndt lag af molekyler er det, der gør grafen speciel - og forskere begynder at udforske mulighederne for elektronik og databehandling af kulstofgitter, der kun er et molekyle tykke.

Halvlederindustrien er grundlaget for nutidens højteknologiske økonomi, direkte støtte til over 100, 000 job i Europa, og indirekte endnu mere. Dette er opnået gennem fortsat miniaturisering i 'Complementary metal-oxide-semiconductor' (CMOS) teknologi, baseret på silicium. Men denne model holder kun i 10 eller 15 år mere.

Den store udfordring for IKT-industrien er at finde alternativer til informationsbehandling og -lagring ud over grænserne for eksisterende CMOS. Der er gode indikationer på, at grafen er en førsteklasses kandidat til "Beyond CMOS"-komponenter, og er, på trods af dets revolutionære karakter, komplementær til konventionelle CMOS-teknologier.

Grafen har været genstand for en videnskabelig eksplosion siden de banebrydende eksperimenter med dette nye materiale for mindre end 10 år siden, anerkendt af Nobelprisen i fysik i 2010 tildelt professor Andre Geim og professor Kostya Novoselov, ved University of Manchester. Grafens bemærkelsesværdige elektriske egenskaber kan overvinde de fysiske grænser, som silicium står over for, når transistorer krymper til stadigt mindre størrelser - hvilket giver løsninger til "Beyond CMOS"-æraen, nødvendige for at imødegå udfordringerne i den globale konkurrence.

Ved at samle flere discipliner og behandle forskning på tværs af en lang række spørgsmål, fra den grundlæggende forståelse af materialeegenskaber til grafenproduktion, GRAPHENE flagskibet blev lanceret i oktober 2013. Den foreslåede forskning omfatter elektronik, spintronik, fotonik, plasmonik og mekanik - alt sammen baseret på grafen.

Ledet af professor Jari Kinaret, fra Sveriges Chalmers Universitet, Flagskibet involverer over 126 akademiske og industrielle forskningsgrupper i 17 europæiske lande, med 136 hovedefterforskere, inklusive fire nobelpristagere. Med et indledende 30-måneders budget på 54 mio. EUR, GRAPHENE-konsortiet vil vokse til at omfatte yderligere 20-30 grupper gennem en åben indkaldelse af projektforslag i november, til en værdi af i alt 9 mio. EUR.

'Graphenproduktion er naturligvis centralt i vores projekt, sagde prof. Kinaret ved lanceringen, men nøgleapplikationer, der skal ses på, omfatter hurtige elektroniske og optiske enheder, fleksibel elektronik, funktionelle letvægtskomponenter og avancerede batterier. Eksempler på nye produkter aktiveret af grafenteknologier omfatter hurtige, fleksibel og stærk forbrugerelektronik, såsom elektronisk papir og bøjeligt personligt kommunikationsudstyr, samt lettere og mere energieffektive flyvemaskiner. På længere sigt, grafen forventes at give anledning til nye beregningsparadigmer og revolutionerende medicinske anvendelser, såsom kunstige nethinder.

Sætter sejl:Grafen som FET flagskib

Beskrevet af Europa-Kommissionens næstformand Neelie Kroes som et "vovet venture", flagskibene "Fremtidige og nye teknologier" (FET) er visionære, storstilet, videnskabsdrevne forskningsinitiativer, som tackler videnskabelige og teknologiske udfordringer på tværs af videnskabelige discipliner. Disse nye instrumenter i EU's forskningsfinansiering fremmer en koordineret indsats mellem EU og dets medlemsstaters nationale og regionale programmer, er meget ambitiøse, og stole på samarbejde mellem en række discipliner, fællesskaber og programmer - der kræver støtte i op til 10 år. Efter opstartsfasen, løber indtil marts 2016 under EU's nuværende 'syvende rammeprogram' for forskning (FP7), arbejdet vil fortsætte under det næste program, 'Horizon 2020', med en forventet EUR 50 millioner om året til Flagship-projektet.

Grafen blev valgt som flagskib efter en konkurrence mellem seks pilotprojekter om at undersøge de områder med det største potentiale for vedvarende investeringer. Som fru Kroes har sagt:"Europas position som vidensupermagt afhænger af at tænke det utænkelige og udnytte de bedste ideer. Denne multimilliardkonkurrence belønner hjemmedyrkede videnskabelige gennembrud og viser, at når vi er ambitiøse, kan vi udvikle den bedste forskning i Europa.'

Flagskibspiloten for grafen, GRAPHENE-CA-projektet, set på, hvordan udviklingen i dette kulstofbaserede materiale kunne revolutionere IKT og industri. Pilotprojektet etablerede en omfattende videnskabelig og teknologisk køreplan, der skal tjene som grundlag for forskningsdagsordenen for GRAPHENE-flagskibet - der dækker elektronik, spintronik, fotonik, plasmonik og mekanik, og understøttende områder såsom grafenproduktion og kemi. Og det var grundlaget for, at det blev udvalgt.

Nu er flagskibet oppe at køre, den består allerede af et forskerhold af svimlende omfang. Der er universiteter fra Louvain i Belgien, Aalto i Finland, Lille og Strasbourg i Frankrig, Bremen, Chemnitz, Dresden og Hamborg i Tyskland, Ioannina i Grækenland, Dublin i Irland, Trieste i Italien, Minho i Portugal, Barcelona og Castilla-La Mancha i Spanien, Basel, Genève og Zürich i Schweiz, Delft og Groningen i Holland, og Cambridge, Manchester og Oxford i Storbritannien. Disse suppleres af polytekniske læreanstalter og teknologiske institutter fra Østrig, Danmark, Frankrig, Tyskland, Grækenland, Italien, Polen, Spanien, Sverige og Schweiz. Ud over, der er industrielle partnere som Nokia, Thales, Alcatel Lucent, Philips teknologi, Airbus og ST Microelectronics. Og denne liste udgør kun en del af de deltagende organisationer.

Deres mission er at tage grafen, og relaterede lagdelte materialer, fra de akademiske laboratorier til samfundet - revolutionerer flere industrier og skaber økonomisk vækst og nye job i Europa.

»Kommissionen, og alle de akademiske og industrielle partnere i Graphene Flagship, er alle i dette sammen. Det er en usædvanlig langsigtet forpligtelse, og der vil være udfordringer, lad os være klare over det, sagde Carl-Christian Buhr, medlem af fru Kroes kabinet. »Vi skal bringe industrien ind på en sådan måde, at ideer bliver taget op og fører til nye produkter og markeder. Det er hele idéen med Flagskibet.'

Ja, den omfatter et omfattende sæt af komplementære aktiviteter for at opnå dette, såsom:

Et projekt af typen ERA-NET, FLAG-ERA, at støtte flagskibet i koordineringen af ​​nationale forskningsinitiativer om grafen.

• En række initiativer fokuserede på at udbrede viden om grafen til den brede verden. Graphene uge, for eksempel, er et årligt forum, der samler hundredvis af forskere for at dele deres seneste udvikling på tværs af discipliner - det næste vil blive afholdt i Gøteborg, Sverige, i juni 2014. Det sigter mod at være en 'samling af grafenstammen', hvor diskussioner om grundlæggende videnskab kan møde spændende nye anvendelser.
• Graphene Connect er en interaktionsplatform for den akademiske verden og virksomheder, der fremmer videnskabsfolk til at tænke ud af boksen og industrier for at udvikle slutbrugerprodukter baseret på grafen - dette vil omfatte en række industrielle workshops, og sessioner for business angels, iværksættere og venturekapitalister for at diskutere potentielle grafen-investeringsmuligheder.
• Graphene Study er en europæisk vinterskole om grafen, der vil hjælpe med at opbygge en ny generation af grafenforskere, samt nye direkte kommunikationskanaler mellem unge forskere og akademi- og industriaktører. Den første afholdes i de østrigske alper, den 2.-7. februar 2014.

Tidlige resultater

Noget af EU's tidligere finansierede grafenforskning leverer allerede. GRAND (4) projektet, som sluttede i december 2010, så på, om grafen stadig ville gøre sine vidundere, når de blev integreret med silicium CMOS-processen.

Ledet af AMO i Tyskland, projektteamet satte sig for at vurdere, om grafen virkelig kunne bringe konventionel halvlederteknologi ind i "Beyond CMOS"-æraen. GRAND-konsortiet udviklede måder at fremstille 2-dimensionelle grafen nanostrukturer (med bredder på kun 5 nm på tværs) til brug i elektronikkomponenter. Det var vigtigt at vise, at ikke kun sådanne komponenter kunne fungere, men at de kunne fremstilles på en måde, der kunne skaleres op til industrielle mængder.

Som resultat, holdet designede en ny type transistor - med konceptet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Anvendt fysik bogstaver - der kunne åbne nye ruter for grafen-baserede højhastigheds elektroniske og optoelektroniske enheder.

Som en del af GRAND-projektet, grafen er også blevet integreret i en ikke-flygtig hukommelsesenhed, der kunne reduceres til molekylære størrelser - en grafenhukommelse, der kun måler 1x1 nm, der bevarer informationen, der er lagret i den, selv når strømmen er slukket. Holdet fremstillede mere end 10 sådanne enheder - hvilket indikerer deres skalerbarhed.

ledet af Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, CONCEPTGRAPHENE-projektet havde til formål at frigøre potentialet i at afsætte et tyndt lag grafen på en siliciumcarbid (SiC)-base - med det formål at udvikle skalerbar elektronik med potentielle anvendelser inden for 'spintronics' og ultranøjagtige måleenheder. Holdet arbejdede på at fremstille grafenwafere i stor skala, der ville gøre det muligt at fremstille elektroniske enheder med høj densitet på en enkelt siliciumwafer. Denne type teknologi vil være nødvendig for fuldskala industriel fremstilling af grafen-baserede komponenter og enheder på en måde, der er kompatibel med nuværende industriteknikker.

Efter at have afsluttet i september 2013, projektet lancerede en nystartet virksomhed, der skal producere grafenwafers. Graphensic AB er placeret på Linköping, Sverige. Virksomheden er et spin-off fra Linköpings Universitet og producerer høj kvalitet, meget ensartet, grafen på siliciumcarbid (SiC) ved hjælp af en patenteret 'Højtemperatur-grafenproces' - en vækstmetode, der producerer et tyndt lag grafen, selv et enkelt lag af atomer, på SiC.

Mere hvor det kom fra

Men grafen er ikke det eneste innovative materiale, der kan transformere elektronik - 2D-NANOLATTICES-projektet, slutter i maj 2014, arbejder på andre grafitlignende molekylære gitterstrukturer baseret på forskellige grundstoffer. Disse 'nanogitter' har også et stort potentiale til at bane vejen for stadigt mindre, og mere kraftfuld, nano-elektroniske enheder. I særdeleshed, 'silicene' (eller 'germanene'), silicium- eller germaniumækvivalenten til grafen, hvis de findes, kan tilbyde bedre kompatibilitet med siliciumbehandling.

Ledet af det nationale center for videnskabelig forskning 'Demokritos', i Grækenland, Projektgruppen sigter på at finde måder at inducere og stabilisere silicium og germanium og bevise for første gang, at silicen har en fysisk eksistens. Ved at producere vekslende lag, der er svagt bundet mellem hinanden, hver bestående af et enkelt lag af atomer, this new material could serve as the elements of gates and other components in new, miniaturised 2D semiconductors.

Perhaps we are still in the early stages, but these look to be the first steps in a transformation of the way electronics devices are made - and in their abilities - with the potential to similarly transform the European high-tech industry and economy.