Fotokunstnere har lenge fabulert om hvordan materialenes minste byggesteiner oppfører seg. Nå kan reell viten om slike mikrounivers legge grunnlaget for en ny generasjon elektronikk.  (Illustrasjonsfoto: Microstock)
Fotokunstnere har lenge fabulert om hvordan materialenes minste byggesteiner oppfører seg. Nå kan reell viten om slike mikrounivers legge grunnlaget for en ny generasjon elektronikk. (Illustrasjonsfoto: Microstock)

Produktdesign på atomnivå

Kan gi mindre, raskere og strømbesparende elektronikk.

Publisert

Elektronikkindustriens drøm er at “small is beautiful”. Næringa ønsker å gjøre delene i produktene sine mindre. Små overflater og volum åpner nemlig for å styre elektroner på nye måter. Dette, i sin tur, åpner for kjappere og mer energieffektiv elektronikk. 

– Men krympingen byr også på nye utfordringer, særlig i tilknytning til grenseflatene mellom ulike materialer, materialteknolog Espen Flage-Larsen fra Sintef.

– Skal produsentene lykkes, trenger de å gjøre dypdykk ned til atomene. Og per i dag er det ikke så mange i verden som drar på tur i materialenes mikro-kosmos på denne måten.

Øyhopping for elektroner

De daglige reisene består av forsøk i virtuelle laboratorier. Disse lab’ene er modeller av materialkombinasjoner som er aktuelle i framtidas elektronikk. Matematiske modeller. Her er fysikkens lover gjenskapt som likninger, og forsøksseriene har form av tunge regneoperasjoner.

Parallelt reiser forskergruppa innover i materialene også via avansert fysiske lab-instrumenter. Gruppa bruker eksperimentene til å forbedre de virtuelle modellene. Beregningene, i sin tur, hjelper forskerne med å forstå det de observerer under lab-eksperimentene.

Målet for reisene innover er en fascinerende skjærgård. Det er slik materialenes indre framstår når Espen Flage-Larsen tegner og forklarer. Han maner fram flate holmer og kuperte øyer. Dette er de ulike materialtypene som elektronikk-komponenter kan lages av. Tynne sjikt av alt fra isolerende oksider og metallkontakter til halvledermaterialer som for eksempel silisium, galliumnitrid eller sinkoksid. Sundene som skjærer seg gjennom øyrekka, er grenseflata mellom material-lagene. 

– Elektronene er elektronikkens arbeidshester. De må komme seg fra øy til øy for å få gjort jobben sin. Modellene vi bruker, er laget for å hjelpe de ørsmå partiklene med øyhoppinga, forklarer Flage-Larsen.

De viktige grenseflatene

IKT-industrien forventer at den forestående miniatyriseringsbølgen, altså at alt gjøres mindre, vil påvirke hverdagslivet vårt. At den vil gi raskere prosessorer i den neste bilen din, for eksempel. Eller sensorer som kan være lenge i pasientens kropp mellom hvert batteriskifte. Men høsting av slike gevinster forutsetter, ifølge forskeren, at elektronikkprodusentene klarer å takle en helt spesiell utfordring.

– De må få til å styre det som skjer på grenseflata mellom de ulike materialsjiktene – eller om du vil; ved sundene i miniatyrskjærgården. Til dette trengs en fysikk-forståelse som bare kan skaffes til veie ved å koble matematisk modellering tett til avanserte fysiske eksperimenter. 

Trangbodde øyer

Flage-Larsen og faggruppa hans studerer de forholdene som ladningsbærende partikler (elektroner) og varmebærende partikler (fononer) må jobbe under som følge av miniatyriseringen. 

– Når komponentene avtar i størrelse, vil materialsjiktene i billedlig forstand bli små øyer. Der må elektroner og fononer forholde seg til vannkanten som utgjør yttergrensa. De føler at det blir trangt. Det er et bra utgangspunkt for å få noen av dem til å oppføre seg annerledes, fastslår han.   

Sammen med kolleger ved SINTEF jobber han med å utvikle et vindu nettopp mot vannkanten; grenseflatenes verden. Forskergruppa bruker allerede dette redskapet til forskning viet neste generasjon solceller og diodelamper, i tett samarbeid med Universitetet i Oslo. 

Verktøy for produktutvikling

Grunnlaget har gruppa lagt ved å utnytte både tungregnekraft og kraftige eksperimentelle instrumenter: nye transmisjons-elektronmikroskop (TEM) og et nytt apparat for røntgen fotoelektron spektroskopi (XPS).  Selve vinduet utgjøres av matematiske modeller som den vi akkurat har fått et gløtt inn i. Ingvild Thue Jensen, medlem av forskergruppa, forklarer:

Forskerne Ingvild Thue-Jensen og Espen Flage-Larsen er godt kjent i atomenes verden – fra reiser innover i materialene. Som transportmiddel bruker de både matematiske modeller og fysiske eksperimenter.  (Foto: Sintef/Werner Juvik)
Forskerne Ingvild Thue-Jensen og Espen Flage-Larsen er godt kjent i atomenes verden – fra reiser innover i materialene. Som transportmiddel bruker de både matematiske modeller og fysiske eksperimenter. (Foto: Sintef/Werner Juvik)

– Lenge hørte studier av enkeltatomer hjemme i grunnforskningen. Men jaget etter ny og bedre teknologi er i ferd med å endre dette. I dag har vi kommet så langt at matematisk modellering på atomært nivå, kombinert med fysiske forsøk, er et relevant redskap for utforming av neste generasjon elektronikk.

Tørrskodd over?

– Og det dere gjør, er altså å hjelpe elektronene fra øy til øy?

Flage-Larsen: – Nettopp. Egenskapene til grenseflata avgjør hvor enkelt det blir å passere vannet og okkupere ei ny øy. Noen steder er det ønskelig at partiklene kommer tørrskodd til naboøya. Andre steder er det ønskelig at de må hoppe eller svømme over. Sist, men ikke minst finnes det steder der det er viktig at de strander.

Thue-Jensen: – Med de verktøyene vi har tilgjengelig, er det nå fullt mulig å konstruere skjærgårdslandskap med egnet vannstand og topografi. På den måten kan vi bidra til at materialer med de ønskede egenskapene lar seg skreddersy.

Mye under ett tak

De to forklarer at Forskningsrådet har stilt opp med titalls millioner kroner de siste årene for å ruste opp det vitenskapelige utstyret og tungregneresursene som forskergruppa bruker.

– Sintef har på sin side investert i kompetanse for å sikre vitenskapelig kontinuitet. Vi håper at norsk industri snart kan bli med oss på reisene innover. For produktutvikling på atomnivå vil trolig bli en viktig del av framtida i elektronikkbransjen, sier Espen Flage-Larsen.