Donald Evans Theodor Holstad and Dennis Meier Photo Geir Mogen NTNU
Donald Evans, Theodor Holstad og Dennis Meier jobber med å skape fremtidens nettverk i nanoskala. Foto: Geir Mogen, NTNU

Stort fremskritt for fremtidens elektroniske dingser

En ny oppdagelse er et viktig skritt på veien mot mindre, mer avansert og kanskje også mer miljøvennlig elektronikk. I nanoskala.

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.

– Vi fant en helt ny måte å kontrollere ledningsevnen i materialer i nanoskala, sier professor Dennis Meier ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

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.

NTNU leder an i arbeidet

– Det virkelig fine er at dette er et prosjekt som drives fra NTNU, og som involverer folk fra flere institutter. Vi drar også nytte av nøkkelanlegg som NanoLab og TEM Geminisenteret. Dette viser hva vi kan greie når vi samarbeider, forteller entusiastiske professor Meier.

Å utnytte «gjemte» defekter på atomnivå kan endre ledningsevnen i materialet, samtidig som strukturen i det forblir den samme. Illustrasjon: Nanolayers Research Computing

En ny artikkel i prestisjetunge og innflytelsesrike Nature Materials tar for seg funnene. Førsteforfatterne er Donald M. Evans, Theodor S. Holstad, Aleksander B. Mosberg og Didrik R. Småbråten som har utført nyskapende eksperimenter og simuleringer ved Institutt for materialteknologi og institutt for fysikk. Allerede før den er trykket, har artikkelen vekket internasjonal oppmerksomhet.

Mulighetene som funnet kan gi ble diskutert i augustnummeret av Nature Materials av noen av de fremste ekspertene på feltet.

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. 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.

Tverrfaglig samarbeid

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.

Den nye fremgangsmåten baserer seg på å utnytte gjemte ufullkommenheter på atomnivå, såkalte anti-Frenkel-defekter.

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 magnetisme og ferroelektrisitet.

– Da er det mulig å designe multifunksjonelle enheter i det samme materialet. Det er et stort skritt mot ny teknologi i nanoskala, sier Meier.

Med på laget er professor S. M. Selbach fra Institutt for materialteknologi, professorene  Antonius T. J. van Helvoort og Jaakko Akola og førsteamanuensisene Per Erik Vullum og David Gao fra Institutt for fysikk og førsteamanuensis Jan Torgersen fra Institutt for maskinteknikk og produksjon.

Illustrasjonsfoto viser elektroniske dingser.

Kanskje kan fremtidens elektroniske dingser brukes lengre. Illustrasjonsfoto: Shutterstock, NTB scanpix

Kan hviske ut og bruke på nytt

En annen fordel er at forskerne kan hviske 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 lengre 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. Det velrennommerte 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.

Kilde: Evans, D.M., Holstad, T.S., Mosberg, A.B. et al. Conductivity control via minimally invasive anti-Frenkel defects in a functional oxide. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0765-x