NTNU-forskere har skapt en ny elektronisk komponent som kan bli et kommersielt produkt. Foto: Nina Tveter

Utviklet nanomateriale som kan erstatte kvikksølv

Ultrafiolett lys brukes for å drepe bakterier og virus, men lampene som benyttes inneholder giftig kvikksølv. Det skal det bli slutt på.

Et forskningsmiljø ved NTNU har lykkes med å lage lysdioder (LED) av et nanomateriale som utstråler ultrafiolett lys. Det er første gang noen har laget en lysdiode med ultrafiolett lys på et underlag av grafén.

– Vi har vist at det går an, og det er veldig spennende, sier stipendiat Ida Marie Høiaas. Hun arbeider ved nanomiljøet til Helge Weman og Bjørn-Ove Fimland ved Institutt for elektroniske systemer ved NTNU, og har jobbet sammen med stipendiat Andreas Liudi Mulyo på prosjektet.

– Her har vi skapt en ny elektronisk komponent som kan bli et kommersielt produkt. Det er ikke giftig og det er potensielt billigere, mer stabilt og varig enn dagens fluorescenslamper, sier hun.

Ved NTNU NanoLab lager forskerne metallkontakter av gull og nikkel på grafén og nanotråder. Når strøm sendes fra grafénet og gjennom nanotrådene, utstråler de UV-lys. Foto: Nina Tveter/NTNU

– Lykkes vi med å lage disse diodene effektive og mye billigere enn i dag, kan man også se for seg at slikt utstyr kan bli vanlig hjemme hos folk. Da vil markedspotensialet øke betraktelig.

Farlig – men nyttig

Ultrafiolett lys fra sola må vi beskytte oss mot, men UV-lys har også svært nyttige egenskaper. Særlig UV-lyset med de korte bølgelengdene, 100-280 nanometer. Dette kalles UVC-lys og tar knekken på bakterier og virus.

Det er første gang noen har laget en lysdiode med ultrafiolett lys på et underlag av grafén. Det har blant annet NTNU-stipendiat Ida Marie Høiaas bidratt til. Foto: Svein-Inge Meland

Heldigvis blir de farlige UVC-strålene fra sola fanget opp av ozonlaget og oksygen, og når ikke jorda. Men vi kan lage UVC-lys, og bruker det blant annet til å rense sykehusutstyr, vann, luft og overflater.

Problemet er at mange av UVC-lampene som brukes i dag inneholder kvikksølv.

FNs Minamata-konvensjon, som trådte i kraft i 2017, slår fast at kvikksølvgruver skal fases ut og bruken av kvikksølv reduseres.  Konvensjonen har fått navnet fra en japansk fiskerlandsby der befolkningen på 1950-tallet ble forgiftet av kvikksølvutslipp fra en fabrikk.

Bygger på grafén

Grafén lagt oppå glass er substratet, fundamentet, for den nye dioden som lager UV-lys.  

Grafén er et supersterkt og ultratynt, krystallinsk materiale og består av kun ett lag med karbonatomer. På grafénet har forskerne klart å gro nanotråder av aluminiumgalliumnitrid (AlGaN).

Kvikksølv har vært brukt i lang tid i blant annet lysstoffrør. Det er vedtatt av utvinning av kvikksølv skal utfases. Derfor er det viktig å jakte på nye løsninger. Foto: Shutterstock

Kvikksølv har vært brukt i lang tid i blant annet lysstoffrør. Det er vedtatt av utvinning av kvikksølv skal utfases. Derfor er det viktig å jakte på nye løsninger. Foto: Shutterstock

Prosessen skjer i et vakuumkammer med høy temperatur der aluminium- og galliumatomer deponeres, eller gros, på grafénsubstratet med høy presisjon og med nærvær av nitrogenplasma. Prosessen kalles molkylærstråleepitaksi (MBE) og er utført i Japan der NTNU-miljøet samarbeider med professor Katsumi Kishino ved Sophia University i Tokyo.

Bli lys

Etter groing blir prøven fraktet til NTNU NanoLab hvor forskerne lager metallkontakter av gull og nikkel på grafénet og nanotrådene. Når strøm sendes fra grafénet og gjennom nanotrådene utstråler de UV-lys.

Grafén er transparent for lys av alle bølgelengder, og lyset fra nanotrådene slippes ut gjennom grafénet og glasset.

– Det er spennende at man kan kombinere nanomaterialer på denne måten og skape fungerende lysdioder, sier Ida Marie Høiaas.

Milliardmarked

En analyse har beregnet at markedet for UVC-produkter i dag skal øke med seks milliarder kroner frem til 2023. I takt med økt etterspørsel etter slike produkter og utfasingen av kvikksølv, er det forventet en årlig markedsøkning på nærmere 40 prosent.   

Dette apparatet er et fordampings- og sputterkammer. Her legges metallelektrodene ved å varme opp metallet med en elektronstråle i vakuum, slik at det fordamper og legger seg på prøven/LEDen. Foto: Nina Tveter

Dette apparatet er et fordampings- og sputterkammer. Her legges metallelektrodene ved å varme opp metallet med en elektronstråle i vakuum, slik at det fordamper og legger seg på prøven/LEDen. Foto: Nina Tveter

Samtidig med sitt doktorgradsarbeid ved NTNU, jobber Høiaas med den samme teknologien, men på en industriell plattform i CrayoNano. Selskapet er sprunget ut av nanomiljøet ved NTNU.

Illustrasjonen viser hvordan forskerne injiserer strøm i LEDen via grafén. Oppe til venstre er et optisk bilde av metallelektrodene til LEDen. Illustrasjon: Ida Høiaas og Andreas Liudi Mulyo

Illustrasjonen viser hvordan forskerne injiserer strøm i LEDen via grafén. Oppe til venstre er et optisk bilde av metallelektrodene til LEDen. Illustrasjon: Ida Høiaas og Andreas Liudi Mulyo

Det finnes allerede UVC LED som kan erstatte fluorenscenslamper, men CrayoNanos ambisjon er å lage langt mer energieffektive og billige dioder. Ifølge selskapet er en av årsakene til at dagens UV-LED er dyre, at substratet er laget av kostbart aluminiumnitrid. Grafén er billigere å fremstille og man trenger mindre materiale i LED-dioden.  

Må utvikles

Ida Marie Høiaas mener det ennå er mye som må forbedres før man kan industrialisere prosessen som er utviklet ved NTNU. Ledningsevnen og energieffektiviteten bør bli bedre, man må introdusere mer avanserte nanotrådstrukturer og bølgelengden må kortes ned for å lage UVC-lys.

Hos CrayoNano har de kommet enda lenger, men disse resultatene er ennå ikke publisert.

– Og når kan produktet bli industrialisert?

– Målet til CrayoNano er å kommersialisere teknologien i løpet av 2022, sier Ida Marie Høiaas.

Referanse: GaN/AlGaN Nanocolumn Ultraviolet Light-Emitting Diode Using Double-Layer Graphene as Substrate and Transparent Electrode