Ny metode designer nanomaterialer med mindre end 10 nanometer præcision

En ny metode designer nanomaterialer med mindre end 10 nanometer præcision. Det kunne bane vejen for hurtigere, mere energieffektiv elektronik.

DTU og Graphene Flagship-forskere har taget kunsten at mønstre nanomaterialer til næste niveau. Præcis mønstre af 2D-materialer er en vej til beregning og lagring ved hjælp af 2D-materialer, som kan levere bedre ydeevne og meget lavere strømforbrug end nutidens teknologi.

En af de mest betydningsfulde nyere opdagelser inden for fysik og materialeteknologi er todimensionelle materialer såsom grafen. Grafen er stærkere, glattere, lettere, og bedre til at lede varme og elektricitet end noget andet kendt materiale.

Deres mest unikke funktion er måske deres programmerbarhed. Ved at skabe sarte mønstre i disse materialer, vi kan ændre deres egenskaber dramatisk og muligvis lave præcis det, vi har brug for.

På DTU, videnskabsmænd har arbejdet på at forbedre det nyeste i mere end et årti med at mønstre 2D-materialer, ved hjælp af sofistikerede litografimaskiner i 1500 m ² renrumsfacilitet. Deres arbejde er baseret i DTU's Center for Nanostruktureret Grafen, støttet af Danmarks Grundforskningsfond og en del af The Graphene Flagship.

Elektronstrålelitografisystemet i DTU Nanolab kan skrive detaljer ned til 10 nanometer. Computerberegninger kan forudsige præcis formen og størrelsen af ​​mønstre i grafen for at skabe nye typer elektronik. De kan udnytte ladningen af ​​elektronen og kvanteegenskaber såsom spin eller dalens frihedsgrader, fører til højhastighedsberegninger med langt mindre strømforbrug. Disse beregninger, imidlertid, bede om højere opløsning, end selv de bedste litografisystemer kan levere:atomopløsning.

"Hvis vi virkelig vil låse op for skattekisten til fremtidig kvanteelektronik, vi skal gå under 10 nanometer og nærme os atomskalaen, siger professor og gruppeleder ved DTU Fysik, Peter Bøggild.

Og det er netop, hvad forskerne er lykkedes med.

"Vi viste i 2019, at cirkulære huller placeret med kun 12 nanometers afstand gør den semimetalliske grafen til en halvleder. Nu ved vi, hvordan man skaber cirkulære huller og andre former som trekanter, med nanometerskarpe hjørner. Sådanne mønstre kan sortere elektroner baseret på deres spin og skabe væsentlige komponenter til spintronics eller valleytronics. Teknikken virker også på andre 2D-materialer. Med disse supersmå strukturer, vi kan skabe meget kompakte og elektrisk afstembare metalenses til brug i højhastighedskommunikation og bioteknologi, " forklarer Peter Bøggild.

Knivskarp trekant

Forskningen blev ledet af postdoc Lene Gammelgaard, uddannet ingeniør fra DTU i 2013, som siden har spillet en afgørende rolle i den eksperimentelle udforskning af 2D-materialer på DTU:

"Tricket er at placere nanomaterialet hexagonal bornitrid oven på det materiale, du vil mønstre. Derefter borer du huller med en bestemt ætseopskrift, siger Lene Gammelgaard, og fortsætter:

"Den ætseproces, vi har udviklet i løbet af de seneste år, nedskærer mønstre under vores elektronstrålelitografisystemers ellers ubrydelige grænse på cirka 10 nanometer. Antag, at vi laver et cirkulært hul med en diameter på 20 nanometer; hullet i grafenen kan så være reduceret til 10 nanometer. Hvis vi laver et trekantet hul, med de runde huller fra litografisystemet, nedskæringen vil lave en mindre trekant med selvslebne hjørner. Som regel, mønstre bliver mere uperfekte, når du gør dem mindre. Dette er det modsatte, og dette giver os mulighed for at genskabe de strukturer, som de teoretiske forudsigelser fortæller os, er optimale."

Man kan, f.eks., producere flade elektroniske meta-linser - en slags superkompakt optisk linse, der kan styres elektrisk ved meget høje frekvenser, og som ifølge Lene Gammelgaard kan blive væsentlige komponenter for fremtidens kommunikationsteknologi og bioteknologi.

At rykke grænserne

Den anden nøgleperson er en ung studerende, Dorte Danielsen. Hun blev interesseret i nanofysik efter et praktikophold i 9. klasse i 2012, vandt en plads i finalen i en national videnskabelig konkurrence for gymnasieelever i 2014, og fulgte studier i Fysik og Nanoteknologi under DTU's honours-program for elitestuderende.

Hun forklarer, at mekanismen bag "superopløsnings"-strukturerne stadig ikke er godt forstået:

"Vi har flere mulige forklaringer på denne uventede ætsningsadfærd, men der er stadig meget vi ikke forstår. Stadig, det er en spændende og yderst brugbar teknik for os. På samme tid, det er gode nyheder for de tusindvis af forskere rundt om i verden, der skubber grænserne for 2D nanoelektronik og nanofotonik."

Støttet af Danmarks Frie Forskningsfond, inden for METATUNE-projektet, Dorte Danielsen vil fortsætte sit arbejde med ekstremt skarpe nanostrukturer. Her, teknologien hun var med til at udvikle, vil blive brugt til at skabe og udforske optiske metalenses, der kan tunes elektrisk.