Mer material kan sparas vid tillverkning av wafers i framtiden. Ultratunna sågar gjorda av kolnanorör och diamant skulle kunna skära igenom kiselwafers med minimal skärvförlust. En ny metod gör det möjligt att tillverka sågtrådarna.

Du kan inte såga utan att producera sågspån – och det kan bli dyrt om, till exempel, "dammet" kommer från wafertillverkning inom solcells- och halvledarindustrin, där relativt hög snittförlust har accepterats som en oundviklig, om mycket beklagligt, livets faktum. Men nu har forskare från Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM i Freiburg tillsammans med kollegor från Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation CSIRO utvecklat en sågtråd som kommer att åstadkomma dramatiska minskningar av skärförluster:i stället för diamantimpregnerat stål ledningar, forskarna använder ultratunna och extremt stabila trådar gjorda av kolnanorör belagda med diamant.

Potentialen hos belagda kolnanorör har länge förståtts:möjliga tillämpningar inkluderar dess användning som ett hårt och segt kompositmaterial eller som en komponent i mycket känsliga sensorer och termoelektriska generatorer. Dock, det nya materialet är extremt svårt att syntetisera. Diamanter växer bara under extrema förhållanden – vid temperaturer på runt 900 grader Celsius i en atmosfär som innehåller kolväten. Att odla diamanter på nanorör är ett knepigt förslag, eftersom kol tenderar att bilda grafit. För att katalysera bildandet av diamantfasen, det är nödvändigt att använda reaktivt väte för att förhindra avsättning av grafit. Dock, denna process skadar också kolnanorören.

Men IWM-forskaren Manuel Mee hittade en lösning för att skydda de fina kolnanorören, som växer som skogar på ett substrat:"Under våra första experiment, smält kiseldioxid från reaktionskammaren kom av misstag i kontakt med beläggningsplasman. Det slog sig ner på substratet och skyddade det mot det aggressiva vätet." Och till hans förvåning, diamanter växte faktiskt på detta lager. "Det som följde var försiktigt, mödosamt arbete, " påpekar Mee. "Vi var tvungna att studera kiseloxidskiktet, som deponerades på ett odefinierat sätt, och hitta en metod för att kontrollera avsättningen och optimera processen." Tester med ett transmissionselektronmikroskop vid CSIROs labb i Australien avslöjade att nanorören faktiskt överlevde under sitt skyddande lager.

En tysk-australisk framgångssaga

Hur man skulle gå vidare därifrån var frågan som nu ställdes inför forskarna. Om de hittade ett sätt att belägga med diamant de nanotrådar som CSIRO-specialisterna tillverkar av nanorör, dessa diamantbelagda nanotrådar skulle kunna användas för att tillverka ultratunna sågar som till exempel kan skära igenom silikonskivor. Det australiensiska teamet på CSIRO är en av de främsta globala experterna med know-how för att tillverka garn från kolnanorör. Tillverkningsprocessen kräver speciella kolnanorör "skogar", som kan extraheras som en ultratunn "filt" och tvinnas till ett mycket tunt garn tio till tjugo mikrometer i diameter. I princip, detta diamantbelagda garn är det idealiska materialet för att bygga en ny generation sågar, som skulle kunna användas i exempelvis solenergiindustrin. Som Mee förklarar:"De nya sågtrådarna höll löftet om att vara mycket överlägsna traditionella ståltrådar. På grund av sin höga draghållfasthet, de kan tillverkas mycket tunnare än ståltrådar – och det innebär betydligt mindre snittförlust."

Sålänge, fysikern har lyckats genomföra sin idé. En gemensam patentansökan av Fraunhofer och CSIRO har redan lämnats in för metoden och motsvarande produkter. Mee och hans kollegor genomför just nu sågtester. "För att kunna visa våra partners inom industrin vilken potential tekniken har, säger Mee, "vi måste visa hur det kan hjälpa solenergiföretag att spara material vid bearbetning av wafers."