Forskere ved NTNU har brukt en ny fremgangsmåte for å kontrollere de elektroniske egenskapene i oksidmaterialer. Dette åpner opp for ørsmå komponenter og kanskje mer bærekraftig elektronikk.
Oksider er et fellesnavn for uorganiske forbindelser som oksygen danner med andre grunnstoffer.
– Vi fant en helt ny måte å kontrollere ledningsevnen i materialer i nanoskala, sier professor Dennis Meier ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.
Nano betyr en milliarddel, slik at en nanometer er en milliarddel av en meter. Nanoskalaen strekker seg fra én til 100 nanometer.
Noe av det beste med den nye metoden er at den ikke forstyrrer andre egenskaper ved materialet, som tidligere fremgangsmåter gjorde. Dette gjør det mulig å kombinere forskjellige funksjoner i det samme materialet, noe som er et viktig fremskritt for teknologi i nanoskala.
Forskerne har utført eksperimenter og simuleringer ved Institutt for materialteknologi og institutt for fysikk. Funnene er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Materials.
Komponenter har utelukket hverandre
Vi tenker sjelden over teknologien som ligger bak når vi bruker elektriske apparater eller slår på ei lyspære. Kontrollen av ladede partikler i ørliten skala er bare en del av hverdagen.
Men i den mye mindre nanoskalaen kan vitenskapsfolk nå rutinemessig manipulere strømmen av elektroner.
Å utnytte «gjemte» defekter på atomnivå kan endre ledningsevnen i materialet, samtidig som strukturen i det forblir den samme.(Illustrasjon: Nanolayers Research Computing)
Dette åpner for eksempel opp for enda mindre komponenter i datamaskiner og mobiltelefoner som knapt bruker elektrisitet. Skjønt et grunnleggende problem gjenstår:
Du kan simulere elektroniske komponenter i nanoskala. Men noen av de mest lovende fremgangsmåtene utelukker hverandre av ulike grunner. Det betyr at du ikke greier å kombinere flere komponenter for å lage et nettverk.
– Å utnytte kvantefenomener krever for eksempel ekstrem presisjon for å få det rette forholdet mellom ulike stoffer i materialet, mens du må endre den kjemiske strukturen i materialet om du vil skape kunstige synapser, eller overganger, for å simulere egenskapene til nervebaner som vi kjenner dem fra biologien, forklarer Meier.
Et kvant er i fysikken en størrelse som forekommer i en bestemt, udelelig mengde.
Utnytter gjemte ufullkommenheter
Et samarbeid mellom flere institutter, ledet av professor Meier, har greid å omgå noen av disse problemene ved å komme frem til en ny fremgangsmåte.
– Den nye fremgangsmåten baserer seg på å utnytte gjemte ufullkommenheter på atomnivå, såkalte anti-Frenkel-defekter, forklarer Meier.
Forskerne har greid å skape slike defekter på egen hånd og endret ledningsevnen i et isolerende materiale slik at den ble en leder.
Defekter i materialet er knyttet til ulike egenskaper ved det. Men anti-Frenkel-defektene kan utnyttes sånn at endringer i ledningsevnen ikke påvirker selve strukturen i materialet og endrer andre egenskaper ved det, sånn som for eksempel magnetisme.
Annonse
– Da er det mulig å designe multifunksjonelle enheter i det samme materialet. Det er et stort skritt mot ny teknologi i nanoskala, sier Meier.
Kanskje kan fremtidens elektroniske dingser brukes lengre.(Illustrasjonsfoto: Glitterstudio / Shutterstock / NTB scanpix)
Kan viske ut og bruke på nytt
En annen fordel er at forskerne kan viske ut komponentene i nanoskala ved hjelp av enkel varmebehandling. Da kan du også endre eller oppgradere komponentene i materialet i etterkant.
– Kanskje kan du da bruke de elektroniske dingsene dine lenger istedenfor å resirkulere eller kaste dem. Du oppgraderer bare istedenfor. Det er i utgangspunktet mye mer miljøvennlig, forklarer Meier.
Neste steg
Planleggingen av videre forsøk med å kombinere ulike komponenter er allerede i gang. Dette arbeidet skal utføres av FACET-gruppen ved Institutt for materialteknologi.
Arbeidet er støttet av Det europeiske forsøksrådet gjennom et ERC Concolidator Grant som Meier mottok i fjor. Center for Quantum Spintronics (QuSpin) er også involvert. Målet er å utnytte både ladning og spin i elektronene for å gi oss en mer miljøvennlig fremtid.
Referanse:
Donald M. Evans mfl.: Conductivity control via minimally invasive anti-Frenkel defects in a functional oxide. Nature Materials, 2020. Sammendrag. Doi.org/10.1038/s41563-020-0765-x
