Store fremskridt for fremtidens elektroniske gadgets

Forskere ved Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet (NTNU) har fundet en helt ny metode til at kontrollere oxidmaterialers elektroniske egenskaber. Dette åbner døren til endnu mindre komponenter og måske mere bæredygtig elektronik.

"Vi fandt en helt ny måde at kontrollere materialers ledningsevne på nanoskala, " siger professor Dennis Meier ved NTNU's Institut for Materialevidenskab og Teknik.

En af de bedste aspekter ved den nye metode er, at den ikke forstyrrer andre egenskaber ved materialet, ligesom tidligere metoder gjorde. Dette gør det muligt at kombinere forskellige funktioner i samme materiale, hvilket er et vigtigt fremskridt for nanoskalateknologi.

"Det, der virkelig er fantastisk, er, at dette projekt drives fra NTNU og involverer folk fra flere afdelinger. Vi nyder også godt af nøglefaciliteter som NanoLab og TEM (transmission elektronmikroskopi) Gemini Centre. Denne tværfaglige tilgang viser, hvad vi kan, når vi arbejde sammen, " siger Meier.

En ny artikel i bladet Naturmaterialer tager fat på resultaterne. Artiklen har vakt international opmærksomhed, allerede inden den blev trykt.

Opdagelsens muligheder blev diskuteret i augustudgaven af Naturmaterialer af førende eksperter på området.

Vi tænker sjældent på teknologien, der ligger bag at tænde en pære eller vores brug af elektriske apparater. Kontrol af ladede partikler på en minutskala er simpelthen en del af hverdagen.

Men på en meget mindre nanoskala, videnskabsmænd er nu rutinemæssigt i stand til at manipulere strømmen af ​​elektroner. Det åbner op for muligheder for endnu mindre komponenter i computere og mobiltelefoner, der næsten ikke bruger strøm.

Et grundlæggende problem er tilbage, imidlertid. Du kan simulere elektroniske komponenter i nanoskala, men nogle af de mest lovende koncepter virker gensidigt udelukkende. Det betyder, at du ikke kan kombinere flere komponenter for at skabe et netværk.

"Anvendelse af kvantefænomener kræver ekstrem præcision for at opretholde det rigtige forhold mellem forskellige stoffer i materialet og samtidig ændre den kemiske struktur af materialet, hvilket er nødvendigt, hvis du vil lave kunstige synapser for at simulere egenskaberne af nervebaner, som vi kender dem fra biologien, " siger Meier.

Samarbejde mellem afdelinger, ledet af professor Meier, er det lykkedes at omgå nogle af disse problemer ved at udvikle en ny tilgang.

"Den nye tilgang er baseret på at udnytte 'skjulte' uregelmæssigheder på atomniveau, såkaldte anti-Frenkel-defekter, " siger Meier.

Det er lykkedes forskerne selv at skabe sådanne defekter, hvilket gør det muligt for et isolerende materiale at blive elektrisk ledende.

Fejl i materialet er relateret til dets forskellige egenskaber. Imidlertid, anti-Frenkel-defekterne kan manipuleres på en sådan måde, at ændringer i ledningsevnen ikke påvirker materialets faktiske struktur eller ændrer dets øvrige egenskaber, såsom magnetisme og ferroelektricitet.

"Ved at opretholde den strukturelle integritet gør det muligt at designe multifunktionelle enheder ved hjælp af det samme materiale. Dette er et stort skridt mod ny teknologi på nanoskala, " siger Meier.

Forskerholdet omfatter professor S. M. Selbach fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, Professorerne Antonius T. J. van Helvoort og Jaakko Akola og lektorerne Per Erik Vullum og David Gao fra Institut for Fysik, og lektor Jan Torgersen fra Institut for Maskin- og Industriteknik.

En anden fordel ved den nye tilgang er, at forskere kan slette komponenter på nanoskala ved hjælp af en simpel varmebehandling. Så kan du ændre eller opgradere komponenterne i materialet efterfølgende.

"Måske vil vi kunne bruge vores elektroniske gadgets længere i stedet for at genbruge dem eller smide dem ud. Vi kan bare opgradere dem i stedet for. Dette er grundlæggende meget mere miljøvenligt, " siger Meier.

Planlægning er allerede i gang for yderligere forsøg på at kombinere forskellige komponenter. Dette arbejde vil blive udført af FACET-gruppen ved NTNU's Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Arbejdet er støttet af European Research Council gennem et ERC Consolidator Grant, som Meier modtog sidste år. Det anerkendte Center for Quantum Spintronics (QuSpin) er også involveret. Målet er at udnytte både ladning og spin i elektronerne til at give os en mere miljøvenlig fremtid.