Mobiltelefoner som böjer sig, självförsörjande nanoenheter, ny och förbättrad solcellsteknik och fönster som genererar elektricitet är bara några av de potentiella produkterna från föreningen av halvledare och grafen.

Halvledare odlade på grafen vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNU) kan vara det viktigaste forskningsgenombrottet 2012 i Norge. I centrum för forskningssatsningarna står professor Helge Weman, Professor Bjørn-Ove Fimland och postdoktor Dong Chul Kim. Teamet arbetar nu med att översätta resultaten av sin grundforskning till en första prototyp.

Bara en atom tjock

På 1960-talet forskare föreställde sig att grafit (rent kol) kunde skäras i lager som bara mätte en atom i tjocklek - vilket resulterade i materialet som kallas grafen.

På 1990-talet forskare lyckades skapa ett lager så tunt som 100 atomer, men det gjordes inga framsteg efter det förrän 2004, när ryskfödde Andre Geim tog en tejpautomat från sitt skrivbord vid University of Manchester, tryckte lite tejp över ett tunt lager grafit och skalade bort det. När han undersökte tejpen under ett mikroskop, han upptäckte ett lager bara en kolatom tjockt. Grafen föddes!

2010, Dr Geim och hans kollega, Konstantin Novoselov, tilldelades tillsammans Nobelpriset i fysik för sitt arbete med att demonstrera grafenens unika egenskaper.

Framför flocken på NTNU

Sex månader innan Dr Geim och Dr Novoselov anlände till Stockholm för att ta emot sitt pris, och innan grafen hade blivit ett föremål av intresse, Den sydkoreanske postdoktoralen Dong Chul Kim vid NTNU hade föreslagit professorerna Helge Weman och Bjørn-Ove Fimland vid institutionen för elektronik och telekommunikation att de skulle titta närmare på just detta material. Förslaget kom strax efter att en forskargrupp på deras avdelning hade lyckats odla halvledarnanotrådar gjorda av galliumarsenid (GaAs) på kiselsubstrat. Detta fick Dr Weman att undra om det skulle vara möjligt att odla halvledarnanotrådar direkt på grafen istället.

Professor Wemans samlade expertis, Professor Fimland och Dr Kim visade sig vara en fruktbar kombination. Forskarna fick snabbt sitt första genombrott, i september 2010, och sommaren 2012 lyckades de placera nanotrådshalvledare på en enatoms tjock bas. Dessa aktiva halvledare växer normalt till en mikron (en miljondels meter) i tjocklek.

Kommer kisel att bli föråldrat?

Grafen är definitivt det hetaste ämnet just nu bland nanomaterialforskare. Det rena kolmaterialet är det överlägset tunnaste och starkaste som finns. Det är 200 gånger starkare än stål, leder elektricitet 100 gånger snabbare än kisel och är överlägset alla andra material när det gäller att leda värme. Det är ogenomträngligt, men samtidigt smidig och transparent. Och billig storskalig produktion av grafen blir nu verklighet.

För närvarande, elektronik och solceller placeras ovanpå tjocka kiselsubstrat. Men kisel har tydliga begränsningar, inklusive storlek. Stora teknikföretag kämpar för att producera kiselbaserade produkter som är mindre än de som finns på marknaden idag. En annan utmaning med att använda kisel är att kiselbaserad elektronik genererar mycket värme. Många anser att grafen är den främsta kandidaten för att ersätta kisel.

Stora multinationella företag som IBM och Samsung har lagt ner mycket kraft på forskning om både halvledare och grafen. Men det verkliga genombrottet för att odla halvledare på grafen skedde faktiskt vid NTNU i Trondheim.

Fynden från dessa forskare i Trondheim kan användas för att tillverka elektronik och solceller som är flera hundra gånger tunnare än nuvarande modeller. Detta kommer att göra det möjligt att producera elektronik som är både böjlig och transparent, förutom att det är billigare och mer energieffektivt.

Effektivare solceller och lysdioder

Det kommer förmodligen inte att dröja länge innan enkla grafenprodukter börjar dyka upp på marknaden. Några av dem kommer att baseras på halvledarteknik.

Halvledare är en huvudkomponent i nästan all modern elektronik. Utan dem, det skulle inte vara möjligt att ha datorer, smartphones, solceller, LED-lampor eller enheter som använder laser, dvs allt från skrivare till fiberkommunikation. Alla dessa föremål kan göras mindre och bättre med grafen. Grafen kan både ersätta halvledarsubstratet och fungera som en transparent elektrod för en böjlig nanotrådsolcell.

"Solcells- och LED-teknik kommer att vara de första områdena för att se nya produkter som använder grafenbaserade halvledare, " tror Dr Weman.

Underprissatt energi från fossila bränslen är den främsta bidragsgivaren till den globala uppvärmningen. Solljus är en alternativ källa med enorm potential, men solenergi måste bli billigare och effektivare. Halvledar nanotrådar baserade på grafen kan äntligen tippa skalan till förmån för solenergi.

"Om halvledarnanotrådar odlade på grafen används i solceller, samma mängd solljus kan omvandlas till energi genom att använda en tiondel av volymen material som används i tunnfilmssolceller. Och det betyder att vi har minskat på ännu mer material genom att odla halvledarna på grafen istället för på ett tjockt halvledarsubstrat. Ny forskning visar också att grafen har ytterligare unika egenskaper som förbättrar effektiviteten hos en solcell, " förklarar Dr Weman.

LED-lampor är överlägsna när det gäller energieffektivitet, men har varit dyrare att tillverka på grund av dyra halvledarsubstrat. Halvledarnanotrådar på grafen kommer att göra det möjligt att förse världen med LED-lampor som är mycket billigare och mycket effektivare samtidigt som de är mer böjliga och väger mindre än dagens glödlampor.

Industrialisering i horisonten

Arbetet med grafen vid NTNU har uppmärksammat många internationella företag som är intresserade av att samarbeta med de Trondheimsbaserade forskarna och deras företag, CrayoNano. Men de potentiella industriella frågorna hittills har kommit enbart från Asien och USA. Skådespelare i Norge och Europa har ännu inte uttryckt något intresse.

"Vi är pionjärer i att vi använder grafen för något annat än grundforskning. Vi kanske redan har vår första prototyp på plats i slutet av 2013, men vi vill inte avslöja vad det är ännu, " säger Dr Weman.

"Fältet vi arbetar med – att använda grafen som ersättning för kisel och andra halvledarsubstrat i elektronik och solceller – innebär många nya möjligheter. Men potentialen är lika stor för tillämpningar som använder grafen inom andra områden än elektronik, som inom den medicinska sektorn. Grafen kan användas i kroppen utan att orsaka någon skada, " förklarar Dr Weman.

"I en värld där dricksvatten är en bristvara, att använda syremodifierade grafenfilter för att rena vatten är ännu en spännande tillämpning. Det är ett helt nytt sätt att förvandla havsvatten till sötvatten."

Hur som helst, forsknings- och utvecklingsverksamhet kommer att behövas under många år. Dr Weman liknar det nuvarande tillståndet för grafenforskning med var kisel fanns i början av 1960-talet.