Nanokys skaber nye forbindelser

Lige der hvor to materialer kysser hinanden, opstår nye muligheder. Det er ikke magi - men naturvidenskabelig grundforskning, når oxidelektronik, nanoteknologi og multifunktionalitet mødes i grænseflader og interessante forbindelser skaber ny, brugbar viden.

Af ph.d.-studerende Dennis Christensen, 
Institut for Energikonvertering og -lagring, Danmarks Tekniske Universitet, DTU
27.09.2016

Når to materialer bliver sat sammen, kan der i grænsefladen opstå nogle ekstraordinære egenskaber, som ikke eksisterer i de to materialer hver for sig. Princippet bliver udnyttet et utal af steder som fx i den computer eller smartphone, du læser denne artikel på.

For godt 10 år siden blev en ny materialekombination opfundet, og den viste sig at være helt speciel. Mødet mellem to materialer skabte nemlig både ledningsevne og superledning mellem to isolerende materialer, magnetisme mellem ikke-magnetiske materialer, evnen til at omdanne varme til strøm, lave hukommelse til computeren og tegne nanokredsløb.

Magiske egenskaber opstår
Mange genstande er opbygget af blot et enkelt materiale, og genstandene arver derfor deres egenskaber fra dette materiale. Fx virker en almindelig ledning ved at kunne transportere strøm (elektroner) i metallet i ledningen, hvor den elektriske modstand i ledningen er et resultat af antallet og bevægeligheden af metallets elektroner. Kombinerer man flere materialer, åbner der sig flere muligheder. Når materiale A og B bliver kombineret, får man muligheden for at udnytte egenskaberne for både materiale A og B, men også egenskaberne fra den grænseflade, der skabes netop der, hvor materiale A kysser B. Ofte vil grænsefladen have uønskede egenskaber som reduceret trækstyrke eller ledningsevne. 

I nogle tilfælde skabes helt nye brugbare egenskaber, og dette er historien om, hvordan nærmest magiske egenskaber opstår i grænsefladen mellem to oxid-materialer.

Et nanokys mellem LaAlO3 og SrTiO3
Historien begynder i 2004, da nye muligheder åbnede sig for et oxidmateriale, SrTiO3, som tidligere blev brugt som kunstig diamant. 

I 2004 pådampede en japansk gruppe nemlig et andet oxidmateriale, LaAlO3, oven på SrTiO3. Begge oxid-materialer er i sig selv relativt kedelige – de kan ikke lede elektriske strømme, de er ikke magnetiske og svære at fremstille uden en betragtelig mængde defekter. Men grænsefladen mellem dem viste sig at være overraskende interessant: Når LaAlO3 bliver dampet på SrTiO3 med en tykkelse på 1.2 nm, altså 100.000 gange tyndere en et ark papir, forbliver hele strukturen elektrisk isolerende. Tilføjer man blot 0,4 nm ekstra LaAlO3 bliver grænsefladen en rigtig god elektrisk leder, hvor ledningsevnen pludselig bliver mere end en million gange bedre. 

Ved kun at deponere LaAlO3 på SrTiO3 på udvalgte steder som i Figur 1, kan man på en simpel måde lave ledningsevne i et mønster, hvilket er nødvendigt for at skabe elektroniske kredsløb, som det ses i fx computere. Siden 2004 har mange forskergrupper foreslået flere mekanismer til at forklare, hvorfor ledningsevnen opstår dog uden at nå til enighed. Men i takt med at denne diskussion har vokset sig mere lidenskabelig og ilter, har forskergrupper verden over opdaget en række andre funktionaliteter:


Multifunktionaliteternes top fem
1. Magnetisme iblandt fjender 
Ligesom elektrisk ledningsevne bliver skabt, når de to isolerende materialer kommer i intim kontakt med hinanden, sker det samme for magnetismen. De to oxidmaterialer er begge ikke-magnetiske, men pådampes en tilstrækkelig tykkelse af LaAlO3 (1.2 nm) oven på SrTiO3, bliver systemet pludseligt magnetisk. 

Magnetismen snakker desuden sammen med den elektriske ledningsevne, så der er mulighed for at udvikle nye elektriske komponenter til computere, baseret på det såkaldte spintronics, hvor magnetisme og elektrisk ledningsevne bliver kombineret. Køles grænsefladen ned, opdager man desuden, at magnetisme og superledning kan eksistere i det samme system på samme tid.

2. Superledning – nu med et par twist
Køles LaAlO3/SrTiO3-grænsefladen ned til meget lave temperaturer, under -272 °C, kan der føres strøm i grænsefladen helt uden at miste energi. Grænsefladen får altså en modstand på 0 Ω, når elektronerne går sammen i par og bliver superledende. Den lave overgangstemperatur til superledningen gør dog, at der skal investeres meget energi i at nå ned under den temperatur, og i praksis er andre materialer bedre at bruge som superledere. 

Et par twist gør dog grænsefladen ret interessant alligevel. For det første eksisterer magnetisme og superledning i samme system, hvilket er yderst usædvanligt, fordi magnetisme normalt dræber superledning. For det andet blev der for nyligt for første gang fundet bevis på, at elektronerne i grænsefladen fortsat kan eksistere i par, selvom man har dræbt superledningen. Begge ting er højest ukonventionelle, og kan forhåbentlig bruges til at forøge vores endnu hullede viden om superledning. Desuden kan man slukke og tænde for superledningen (en superledende transistor) lige så vel som man kan slukke og tænde for den almindelige ledningsevne i grænsefladen. 

3. En modstandsændring der bliver husket 
Hovedkomponenten i en computer og en smartphone er en transistor. Det er den komponent, som laver beregningerne, ’to compute’, inden i computeren. Her påføres nogle volt til en kanal på transistoren. Hvorvidt en strøm kan løbe i kanalen eller ej afhænger af, om kanalen er åben eller lukket, hvilket i én type transistorer styres ved at påføre nogle volt på noget metal, som ligger tæt på kanalen. Det vil sige, at hvis der er påført spænding begge steder, løber der en strøm (vi kalder outputtet 1). Hvis der kun tilføres spænding et sted, løber ingen strøm (vi kalder outputtet 0). Hermed kan man regne med to tal (1 og 0), og tilføjes flere transistorer kan man regne med flere tal. Der findes over en milliard transistorer i en moderne computer. 

Dette trick kan også udnyttes i grænsefladen mellem LaAlO3 og SrTiO3, hvor forskellen i strømstyrken på om kanalen er åben eller lukket kan være over 1 mio. procent. Også her er der dog et twist: Har man åbnet kanalen og derefter fjerner voltene på metallet, lukker kanalen meget hurtigt på normale transistorer. Ønsker man at opnå en relativt hurtig lukning på LaAlO3/SrTiO3-grænsefladen, skal man tilføje negative volt til metallet. Sættes spændingen derimod kun til 0 V, kan kanalen forblive åben i flere dage. Kanalen kan altså huske, hvad der er hændt for flere dage siden, og der er derfor potentiale til at bruge den som en ny hukommelse (RAM) i computeren kaldet ReRAM eller til at lave nanokredsløb.

4. Når nanokredsløb kan tegnes og viskes ud 
Ved hjælp af et stykke metal kan man altså åbne eller lukke en ledende kanal, som derefter husker, om den er åben eller lukket. Påfører man derimod nogen volt på en meget tynd metalnål, kan man åbne en ledende kanal lokalt i den del af grænsefladen, som er tættest på nålen. Bevæger man nålen i et mønster på overfladen af LaAlO3, åbner man ledende kanaler i samme mønster og tegner dermed et ledende kredsløb i grænsefladen som vist i Figur 2. Bredden af de enkelte kanaler er helt ned til 1 nm, igen 100.000 gange tyndere en et ark papir. Man kan på den måde tegne ultrafine nanokredsløb, der fylder langt mindre end dem, der bliver brugt i elektronik i dag. Påfører man negative volt på metalnålen, kan man lukke kanalerne igen og dermed viske uønskede dele af nanokredsløbet ud igen.

5. Varme omdannes til elektricitet
Bliver grænsefladen forbedret med en optimal ledningsevne, kan man udnytte to af de termoelektriske effekter, som eksisterer her. Den første kaldes Seebeck-effekten: Opvarmes eller nedkøles den ene side af grænsefladen med fx 10 °C, genererer grænsefladen selv en spænding på typisk et par millivolt. Har man flere grænseflader forbundet i serie eller en større temperaturforskel, kan man bruge spændingen til at oplade batterier eller få en pære til at lyse. Man kan altså udnytte overskudsvarme fra solen, bilen, ens egen krop eller industrielle processer til at generere elektricitet.

Grænsefladen udviser også et modstykke til Seebeck-effekten, nemlig den såkaldte Peltier-effekt. Her bruges elektricitet til at skabe en temperaturforskel, som, kan bruges til køling eller opvarmning. Fordelen ved at bruge disse effekter til strømgenerering eller køling er, at termoelektriske generatorer og Peltier-elementer er meget kompakte og er uden bevægelige elementer. Peltier-elementer bruges derfor også allerede i fx transportable varme- eller kølebokse, der kan sættes til strøm fra bilen eller stikkontakten.


Hvad bruger vi det til
Grænsefladen mellem LaAlO3/SrTiO3 har potentiale til at skabe flere innovative komponenter. Indtil videre er det største markedspotentiale anvendelsen til ReRAM. Her har man fundet ud af, at to metal-kontakter lagt på SrTiO3 som vist i Figur 3 er nok til at skabe den ønskede hukommelseseffekt, og pådampningen af LaAlO3 er derfor unødvendig. 

Grundforskningen inden for LaAlO3/SrTIO3 kører fortsat i højt gear, og nye spektakulære fænomener bliver jævnligt opdaget. I vores gruppe på DTU Energy ledet af professor Nini Pryds, arbejder vi således med alle de ovenstående funktionaliteter med specielt fokus på at undersøge kvantemekaniske fænomener, forøge elektronernes hastighed i grænsefladen og undersøge nye materialer til at substituere LaAlO3.