Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Julie Nitsche Kvalvik med brikken der de har laget det halvmillimeterstore Apollon-seglet. Selve brikken er en del større for at det skal være mulig å håndtere den.(Foto: Hanna Elina Melteig / UiO)
Dette kan være verdens nest minste universitetslogo
Forskerne ved Universitetet i Oslo skulle egentlig lage mer effektive solceller. På veien testet de nanoteknologi og laget en halv millimeter lang logo.
Aldri så lite at det ikke er godt for noe. Da forskerne ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi på Universitetet i Oslo (UiO) skulle teste metoden sin, var de avhengige av noe som var lite nok til at det var mulig å avbilde med elektronmikroskop.
Samtidig ønsket de å ta bilde av noe som er verdt å legge merke til, som universitetets logo, også kalt Apollon-seglet. UiO-logoen viser den greske guden Apollon med en lyre.
Forskernes begrensninger lå i hvor stort det er mulig å ta et bilde i elektronmikroskop og hvor lite det er mulig å lage et mønster med litografi.
– Vi kan ta bilder som er mindre, forsikrer Julie Nitsche Kvalvik, en av forskerne som har jobbet med materialet. Men vi slet med å få god nok oppløsning og avtrykk av litografien.
Atomlagsdeponering (ALD)
Metode for å lage jevne, tynne filmer med nanometertykkelse. Dette er allerede i bruk i storskala industrielt, for eksempel i solceller.
Atomlagsdeponering gir mulighet til å kombinere enkle, kjente prosesser for å lage mer komplekse materialer med god kontroll på kjemisk sammensetning.
Universitetet i Oslo har en stor ALD-lab med åtte ALD-reaktorer og utstyr for å teste egenskapene til filmene.
Gruppa ledes av professor Ola Nilsen.
Ville lage et materiale som konverterer lys
Prosjektet med UiO-logoen var ikke en del av den opprinnelige planen med forskningen hennes, men som med mye innen forskning, kan sidesporene by på interessante oppdagelser.
Det de egentlig er ute etter, er å lage mer effektive solceller. Det gjør de ved å lage kalsiummolybdat, et mineral som de tilsetter grunnstoffer fra gruppen som kalles lantanoider, av lantan et metallisk grunnstoff. Forskerne bygger lag på lag med atomer, med en metode som kalles atomlagsdeponering.
Silisium-baserte solceller klarer nemlig ikke å ta opp all energien i deler av sollyset. Det blir energi til overs. Materialet Kvalvik skulle lage, kan klippe i to det lyset som har mer energi enn solcellen klarer å bruke. Dermed blir solcellen mer effektiv.
Hun kombinerer kjente prosesser for atomlagsdeponering for å lage materialer på en ny måte.
Hindringer byr på nye muligheter
Stoffene forskerne først hadde tenkt å bruke, viste seg vanskelige å kombinere fordi det ikke var noe overlapp i temperaturer stoffene kan trives i.
Dermed ble forskerne tvunget ut på netthandel etter stoffer som kanskje kunne la seg bruke. De lette etter stoffer med molybden, et blyaktig, metallisk grunnstoff.
– Vi kjøpte tre ulike kjemikalier med molybden og prøvde å varme dem opp under vakuum. Et av stoffene dampet ved 60 grader og var stabilt også ved høyere temperaturer. Dette var akkurat de egenskapene vi så etter, og vi ble ganske gira.
– Da var det bare å prøve å få det til å reagere med vann og ozon som oksygenkilde. Dette er en ganske magisk blanding med tanke på å få ting til å reagere, forklarer Kvalvik.
På denne måten fikk forskerne materialet de ønsket å lage, men metoden viste seg å overraske med andre egenskaper. Det viste seg at molybden-forbindelsen forskerne hadde laget, kun festet seg på enkelte overflater.
Dette er verdens minste Apollon-segl og muligens verdens nest minste universitetslogo.(Bildet er tatt av Julie Nitsche Kvalvik med elektronmikroskop)
– Kjedelig med firkanter og rundinger
Denne reaksjonen foregår i en atomlagsdeponering-reaktor som støtvis sender stoffene annenhver gang på et underlag hvor materialet vokser atomlag for atomlag. I dette tilfellet ble det brukt både underlag av glass og silisium.
Det viste seg etterpå at molybdenforbindelsen bare fester seg til enkelte overflater. Glass er et av dem, og litiumfluorid, som Apollon-seglet er laget av, er det andre.
Annonse
Når en forbindelse kun fester seg på enkelte prøver, kalles prosessen selektiv. Det er mye forskning på selektive prosesser, blant annet for bruk i elektronikk, men det viser seg å være vanskelig å forklare hvorfor dette skjer.
– Vi måtte finne en måte å demonstrere at prosessen er selektiv på og vise at et materiale som vanligvis ville legge seg på hele overflaten, kun legger seg på mønsteret. Det er kjedelig med firkanter og rundinger, så da laget vi Apollon-seglet, forteller Kvalvik.
Selve Apollon-seglet som ble brukt som mal, ble laget av Jon Borgersen på MiNaLab. Det er sannsynligvis verdens nest minste universitetslogo. Rekorden ser ut til å være hos University of Nottingham, som har brukt en ione-stråle til å tegne emblemet sitt på et hårstrå. Emblemet ble 100 mikrometer stort.
IBM har rekorden for verdens minste logo – den består av 35 atomer.
UiO-logoen i dette forsøket er 500 mikrometer, eller en halv millimeter, stor. Den kan så vidt skimtes med det blotte øye.
Referanse:
Julie Nitsche Kvalvik mfl: Area-selective atomic layer deposition of molybdenum oxide. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2020. Sammendrag. https://doi.org/10.1116/6.0000219
