Blant de beste i jakten på verdens minste elektronikk
Forskere i Norge er blant de fremste på feltet nanoelektronikk. Elektroniske komponenter på atomnivå er målet. Mulighetene for elektroniske dingser er enorme.
Den nyeste utgaven av det svært presitsjetunge magasinet Nature Reviews Materials har en oversiktsartikkel om nanoteknologi skrevet av forskere ved NTNU. Nærmere bestemt om nanoelektronikk i domenevegger, et felt som kan endre mye av det du tror du vet om elektroniske dingser.
– Å bli invitert til å skrive en sånn artikkel viser at bidragene våre til forskningen er anerkjent, konstaterer professorene Sverre Magnus Selbach og Dennis Meier ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.
Forskerne undersøker domenevegger. Om du ikke vet hva det er, forklarer artikkelen det også. Illustrasjon: amb design
De to er ikke akkurat selvskrytete av seg, kan du trygt si, så det får heller andre gjøre. For bare de aller beste blir invitert til å skrive slike oversiktsartikler om fagfeltet sitt i dette magasinet.
Ikke at de er uvante med å få oppmerksomhet. Siden 2016 har de publisert over 60 forskningsartikler om det nye fagfeltet, blant annet i Nature, Nature Materials, Nature Nanotechnology og Physical Review Letters. De har søkt om tre patenter og har redigert to bøker også.
Elektronikk i atomskala
Forskningsmiljøet ved instituttet er altså blant de aller fremste på nanoelektronikk, et felt som kan endre alle de elektroniske dingsene våre. De forsøker å finne ut hvordan de kan erstatte dagens elektroniske komponenter med enda mindre og mer energieffektive komponenter.
Drømmen er å forminske elektroniske komponenter helt ned til atomær skala, og bruke så lite energi som mulig.
I artikkelen i Nature Reviews Materials gir professorene Selbach og Meier en oversikt over hvordan fagfeltet har kommet dit det er, men drister seg også til å spå noen av mulighetene for fremtiden som ligger i teknologien.
Dette kan for eksempel gi oss ørsmå dingser som nesten ikke bruker strøm.
– Drømmen er å forminske elektroniske komponenter helt ned til atomær skala, og bruke så lite energi som mulig, sier professor Selbach.
– For ti år siden var ikke nanoelektronikk basert på domenevegger egentlig et forskningsfelt. Det fantes noen løse biter av informasjon her og der som noen spredte grupper rundt i verden undersøkte. Men det er fullstendig annerledes nå, sier professor Meier.
I dag har det grodd frem et forskningsmiljø som undersøker mulighetene som ligger i å erstatte tradisjonelle elektroniske komponenter med få atomer tykke grensesjikt, slik domenevegger er.
Utfordrende å skrive
– Vi begynte å skrive på denne artikkelen for to år siden, sier professor Meier.
– Å skrive en slik artikkel er utfordrende. En av grunnene er at slike artikler ofte blir pensum på doktorgradsnivå og avanserte mastergradsfag, forklarer professor Selbach.
Derfor må ikke bare alt være rett. De må også sørge for å gi en rettferdig og balansert oversikt over arbeidet som er gjort, som fremdeles gjøres og over de mange mulighetene i framtida.
De konkluderer med at vi har svært spennende tider foran oss. For de har bare så vidt begynt å utforske mulighetene som domenevegger tilbyr for å utvikle fremtidens elektronikk i atomskala.
Nanoelektronikk i domenevegger
De siste fem årene har forskergruppene ledet av Selbach og Meier selv jobbet med nanoelektronikk basert på domenevegger. Så hva er en domenevegg? Vel, det er litt vrient. Men faktaboksen kan hjelpe deg.
Hva er domenevegger?
- Noen faste stoffer har også innebygde elektriske dipoler. De kalles ferroelektriske materialer.
- Disse dipolene kan roteres med et ytre elektrisk felt. Uten dette elektriske feltet har stoffene områder hvor alle dipolene peker i samme retning og områder hvor alle dipolene peker i en annen retning. Disse områdene kalles domener og er atskilt av såkalte domenevegger.
- Selv om ferroelektriske krystaller er elektrisk isolerende, kan domeneveggene lede elektrisk strøm – omtrent som en vanlig strømledning, bare at disse veggene er bare noen få atomer tykke.
– Domenevegger kan vi sende signaler over. Vi kan kontrollere både styrken og formen på disse signalene, sier professor Meier.
Å bruke slike domenevegger til å etterligne elektroniske komponenter ble foreslått allerede i 1970-årene, tilføyer Meier. Konseptet forble ren teori, blant annet fordi det ikke var mulig å måle de lokale egenskapene i slike domenevegger den gangen.
– Dette har endret seg fullstendig. Nå er målemetodene svært mye bedre, og vi kan til og med modellere og forutsi rollen de individuelle atomene spiller for egenskapene til et materiale, sier professor Selbach.
Utnytter uperfekte materialer
Forskergruppen kan i dag manipulere hver enkelt domenevegg og etterligne elektroniske komponenter som dioder, transistorer og logiske porter.
Dennis Meier i aksjon i laboratoriet. Foto: Geir Mogen, NTNU
Dette gjør de blant annet ved å dra nytte av den brutte symmetrien som forekommer i domeneveggene, og utnytte at krystallstrukturene aldri er perfekte.
– Det er gammel kunnskap at et materiales egenskaper er knyttet til symmetrien i dem, forklarer Meier. – Dette visste de tyske fysikerne Franz Ernst Neumann og Woldemar Voigt allerede på 1800-tallet.
Sånn er det også på atomnivå. Men domenevegger er 200.000 ganger tynnere enn et menneskehår, så det er ikke helt enkelt å bruke denne gamle kunnskapen i denne lille skalaen.
EU har troen på arbeidet
For å greie dette, er det helt nødvendig å bruke både simuleringer med supercomputere og flere ulike former for avansert mikroskopi.
De to professorene skryter kanskje ikke av seg selv unødig, men de skryter svært mye av kollegene sine.
Forskergruppene ved NTNU drar nytte av nøkkelanlegg som NTNU NanoLab og TEM Geminisenteret, som har noe av det mest avanserte utstyret innenfor nanostrukturering og elektronmikroskopi, og fra de nasjonale supercomputerne som opereres av Sigma2.
De to professorene skryter kanskje ikke av seg selv unødig, men de skryter svært mye av kollegene sine, både ved sentrene og de mange doktorgradsstudentene og postdoktorene de har og har hatt.
– Vi er helt avhengige av dyktige og dedikerte doktorgradsstudenter og postdoktorer for å gjennomføre de vanskelige og tidkrevende målingene og simuleringene, sier de.
De kuleste resultatene gjenstår
Finansieringen er ellers et kapittel for seg. For alt dette sofistikerte utstyret og å hyre inn alle de dyktigste folkene koster så klart en del.
– Vi vet jo ikke om vi har penger om fire år til å utvide grensene mer, sier professor Meier.
EU er heldigvis også interessert i mulighetene. For to år siden mottok Meier et ERC Consolidator Grant på over 1,8 millioner euro. Han har også et Onsager Fellowship. NTNU Nano støtter opp gjennom NTNU Nano Impact Fund.
Mye tid går med til å skaffe penger, selv for dette miljøet, som altså er i verdenstoppen.
Foruten EU kommer mye av finansieringen til Selbach og Meier for tiden fra Det norske forskningsrådet og ulike stipender. Men mye tid går med til å skaffe penger, selv for dette miljøet, som altså er i verdenstoppen. Det sturer de ikke mye over. For de to er svært entusiastiske når det kommer til fagfeltet sitt.
– Vi har mange ideer som vi ønsker å prøve ut, sier Selbach.
– De kuleste resultatene gjenstår ennå, sier Meier.
Referanse: Dennis Meier and Sverre M. Selbach, Ferroelectric domain walls for nanotechnology. Nature Reviews Materials, doi.org/10.1038/s41578-021-00375-z (2021)
