FRA FORSKNING

3D-modeller på atomnivå lærer oss hvorfor dingser fungerer

Nå kan forskerne se hvordan enkeltatomer plasserer seg i materialer. Det kan være gode nyheter for elektronikken din i framtida.

Dennis Meier og Kasper A. Hunnestad i laboratoriet for «atom probe tomography» (APT). Maskinen gjør det mulig å observere enkeltatomer i et materiale.
Dennis Meier og Kasper A. Hunnestad i laboratoriet for «atom probe tomography» (APT). Maskinen gjør det mulig å observere enkeltatomer i et materiale. Foto: Geir Mogen/NTNU

Nanoteknologi og materialteknologi er vrient for de fleste av oss. Men forskningen innenfor disse områdene har stor betydning for både deg og meg. De elektroniske dingsene dine er for eksempel helt avhengig av den.

All mikroelektronikk er i dag avhengig av såkalte halvledere. Dette er materialer som i utgangspunktet ikke er særlig gode til å lede strøm. Men du kan tilsette dem andre stoffer, også kalt «doping», som gjør at halvlederne ikke blir så verst til det likevel.

– Tidligere har vi dopet halvledere og sett at dette drastisk har endret de elektriske egenskapene til materialet, sier doktorgradsstipendiat Kasper Aas Hunnestad ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

Dette er så klart vel og bra. Det er jo hyggelig når noe fungerer. Men utover at det virker, har man ikke alltid skjønt så mye av hvorfor. Dette gjelder spesielt på atom-nivå.

– Nå vet vi mer om hvordan vi kan måle de individuelt tilsatte atomene og hvorfor de virker. Disse atomene er svært vanskelige å finne, sier Hunnestad.

Derfor må vi vite hvorfor noe virker

Hva så? Hvorfor i all verden skal vi bry oss om enkeltatomer og hvorfor noe virker? Er det ikke like greit å bare registrere at det gjør det? Om dette var tilfellet, ville forskningen rett nok ha vært morsom for fysikere og kjemikere, men vi andre hadde ikke trengt å bry oss.

– Bare når du vet mer om hvordan noe virker, kan du også manipulere stoffet og optimalisere det, sier professor Dennis Meier ved Institutt for materialteknologi ved NTNU, som ledet prosjektet.

Altså kan du for eksempel komme frem til mer effektive, tilgjengelige eller billigere materialer for den jobben som skal gjøres. Eller du kan med større sikkerhet gi nye egenskaper til et materiale du allerede har tilgjengelig. Dette er også viktig med tanke på utvikling av fremtidige materialer for bærekraftig teknologi.

– Ofte er vi interessert i å introdusere ny funksjonalitet i materialer, og da må vi vite nøyaktig hvordan dette kan gjøres sier Meier.

Avansert teknologi gjør det mulig

Tegning av APT-analyse.
APT-analyse. 3D-kartet til venstre viser den målte distribusjonen av atomer. Hvert punkt er ett atom. Fra APT-dataene kan forskere bygge presise modeller i atomskala som vist til høyre. De kan identifisere individuelle atomer, her titan (Ti) som er tilført materialet erbiummanganat for å endre egenskapene. Illustrasjon: Kasper Aas Hunnestad/NTNU

I en artikkel i Nature Communications presenterer Hunnestad og kollegene hans resultatene av mange, mange timer med såkalt «atom probe tomography» eller APT.

Tomografen er en steindyr og avansert maskin som NTNU fikk for noen år siden. Maskinen kan gi en tredimensjonal fremstilling av hvordan et materiale ser ut, helt ned på atomnivå, forklarer Constantinos Hatzoglou, senioringeniør i APT-laboratoriet ved Institutt for materialteknologi.

Hunnestad med flere har altså greid å lage en 3D-fremstilling av en ny type oksidbasert halvleder som er tilsatt svært små mengder av et stoff for å endre egenskapene dens.

– Hvordan tilsetningsstoffer plasserer seg i halvledere, var ikke mulig å observere med gammel teknologi, sier Hunnestad. Arbeidet viser altså at investeringen i det aller beste av teknisk utstyr, som denne APT-maskinen, lønner seg enormt mye. Det gjør banebrytende forskning mulig, sier han.

– Vidunderlig prestasjon

Det er ikke direkte lett med APT heller, men ved å samle kollegaer med ulik bakgrunn i eksperiment og teori, og altså gjennom hardt og inspirert arbeid, har teamet funnet løsninger.

– Dette er ikke bare en vidunderlig prestasjon å få til. Det viser også mulighetene som finnes med APT-teknikken og den unike infrastrukturen vi har i NTNUs NanoLab og TEM Gemini Centre, sier Meier.

Hunnestad har jobbet med APT i omtrent tre år nå. Han har utført omfattende korrelerte mikroskopimålinger, støttet også av professor Antonius van Helvoort og av Per Erik Vullum, som er professor II ved NTNUs institutt for fysikk og seniorforsker ved Sintef Industri. Dette er eksperter på høyoppløselig elektronmikroskopi.

Hunnestad og professor Meier er enige om det sterke potensialet APT har for forskningen deres. De er entusiastiske over alle de fascinerende mulighetene som allerede har dukket opp for karakterisering av funksjonelle materialer på atomskala.

Dopet halvleder med titan – observerte enkeltatomer

Forskergruppen så denne gangen på den oksidbaserte halvlederen Er(Mn,Ti)O3. Dette gjorde de ved at erbiummanganat (ErMnO3) ble tilsatt ørsmå mengder av grunnstoffet titan (Ti) av forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory i USA.

– Med atomproben kan vi få en tredimensjonal fremstilling av hvordan titanatomene plasserer seg i halvlederen, sier professor Meier. – Dermed kan vi koble de nye elektriske egenskapene til materialet helt ned til det som skjer med de individuelle atomene.

NTNU-teamet. Sverre M. Selbach, Muhammad Zeeshan Khalid, Antonius T. J. van Helvoort, Kasper A. Hunnestad, Constantinos Hatzoglou, Dennis Meier og Per Erik Vullum.
NTNU-Sintef-teamet. Sverre M. Selbach, Muhammad Zeeshan Khalid, Antonius T. J. van Helvoort, Kasper A. Hunnestad, Constantinos Hatzoglou, Dennis Meier og Per Erik Vullum. Foto: Geir Mogen/NTNU

Eksperimentene er supplert med beregninger utført av Dr. Muhammad Zeeshan Khalid i teamet til professor Sverre Selbach ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. Dette gir ytterligere innsikt i hvilken innvirkning enkeltatomer kan ha på de fysiske egenskapene.

Noe av det fine med det de har gjort, er at metoden også kan brukes på mange andre stoffer. Den er ikke begrenset til stoffene som forskerteamet ved NTNU har sjekket ut.

– Fremgangsmåten og resultatene har altså bred interesse, siden det kan gi oss mer kunnskap om oksidbaserte halvledere og funksjonelle materialer generelt. Forskningen åpner helt nye dører, påpeker Meier.

Samarbeid gir styrke

Mange andre enn Institutt for materialteknologi har bidratt med penger, muligheter og ekspertise. Blant disse er Forskningsrådet, Norwegian Micro- and Nano-Fabrication Facility, NorFab, Norwegian Laboratory for Mineral and Materials Characterization, MiMaC og Norwegian Center for Transmission Electron Microscopy, NORTEM, og NTNU Nano.

Til sammen viser dette styrken av tverrfaglig forsking og hva som er mulig å gjennomføre med en solid infrastruktur, påpeker forskerne.

Nøyaktig hvordan Hunnestad fikk så gode resultater, er nok ikke noe de fleste av oss greier å ta inn over oss. Men her finner du en lenke til forskningsartikkelen. Så har du noe å bryne deg på.

Artikkelen ble først publisert på Gemini.no

Les mer om:
Kommentarer:

Vi har byttet system for artikkelkommentarer. For å opprette brukerkonto, registrerer du deg med BankID.