En ny metod designar nanomaterial med mindre än 10 nanometers precision. Det kan bana väg för snabbare, mer energieffektiv elektronik.

DTU och Graphene Flagship-forskare har tagit konsten att mönstra nanomaterial till nästa nivå. Exakt mönstring av 2D-material är en väg till beräkning och lagring med 2D-material, som kan leverera bättre prestanda och mycket lägre strömförbrukning än dagens teknik.

En av de senaste upptäckterna inom fysik och materialteknik är tvådimensionella material som grafen. Grafen är starkare, smidigare, lättare, och bättre på att leda värme och elektricitet än något annat känt material.

Deras mest unika funktion är kanske deras programmerbarhet. Genom att skapa ömtåliga mönster i dessa material, vi kan förändra deras egenskaper dramatiskt och möjligen göra precis vad vi behöver.

På DTU, forskare har arbetat med att förbättra den senaste tekniken i mer än ett decennium med att mönstra 2D-material, med hjälp av sofistikerade litografimaskiner på 1500 m ² renrumsanläggning. Deras arbete är baserat på DTU:s Center for Nanostructured Graphene, stöds av Danmarks Nationalforskningsfond och en del av The Graphene Flagship.

Elektronstrålelitografisystemet i DTU Nanolab kan skriva detaljer ner till 10 nanometer. Datorberäkningar kan förutsäga exakt formen och storleken på mönster i grafenet för att skapa nya typer av elektronik. De kan utnyttja elektronens laddning och kvantegenskaper som spinn eller dalfrihetsgrader, leder till höghastighetsberäkningar med mycket mindre strömförbrukning. Dessa beräkningar, dock, be om högre upplösning än vad till och med de bästa litografisystemen kan leverera:atomupplösning.

"Om vi ​​verkligen vill låsa upp skattkistan för framtida kvantelektronik, vi måste gå under 10 nanometer och närma oss atomskalan, säger professor och gruppledare vid DTU Fysik, Peter Bøggild.

Och det är precis vad forskarna har lyckats med.

"Vi visade 2019 att cirkulära hål placerade med bara 12 nanometers avstånd förvandlar den semimetalliska grafenen till en halvledare. Nu vet vi hur man skapar cirkulära hål och andra former som trianglar, med nanometerskärpa hörn. Sådana mönster kan sortera elektroner baserat på deras spinn och skapa viktiga komponenter för spintronik eller valleytronik. Tekniken fungerar även på andra 2D-material. Med dessa supersmå strukturer, vi kan skapa mycket kompakta och elektriskt avstämbara metalenser för användning i höghastighetskommunikation och bioteknik, " förklarar Peter Bøggild.

Knivskarp triangel

Forskningen leddes av postdoc Lene Gammelgaard, en ingenjörsexamen från DTU 2013 som sedan dess har spelat en viktig roll i den experimentella utforskningen av 2D-material vid DTU:

"Knepet är att placera nanomaterialet hexagonal bornitrid ovanpå materialet du vill mönstra. Sedan borrar du hål med ett speciellt etsningsrecept, säger Lene Gammelgaard, och fortsätter:

"Etsningsprocessen vi utvecklat under de senaste åren minskar mönster under våra elektronstrålelitografisystems annars okrossbara gräns på cirka 10 nanometer. Anta att vi gör ett cirkulärt hål med en diameter på 20 nanometer; hålet i grafenet kan då vara minskas till 10 nanometer. Om vi ​​gör ett triangulärt hål, med de runda hålen som kommer från litografisystemet, neddragningen kommer att göra en mindre triangel med självvässade hörn. Vanligtvis, mönster blir mer ofullkomliga när du gör dem mindre. Detta är motsatsen, och detta tillåter oss att återskapa strukturerna som de teoretiska förutsägelserna säger oss är optimala."

Man kan, t.ex., producera platta elektroniska metalinser - en sorts superkompakt optisk lins som kan styras elektriskt vid mycket höga frekvenser, och som enligt Lene Gammelgaard kan bli väsentliga komponenter för framtidens kommunikationsteknik och bioteknik.

Att tänja på gränserna

Den andra nyckelpersonen är en ung student, Dorte Danielsen. Hon blev intresserad av nanofysik efter en praktik i 9:e klass 2012, vann en plats i finalen i en nationell vetenskapstävling för gymnasieelever 2014, och genomförde studier i fysik och nanoteknik under DTU:s hedersprogram för elitstudenter.

Hon förklarar att mekanismen bakom "superupplösnings"-strukturerna fortfarande inte är väl förstått:

"Vi har flera möjliga förklaringar till detta oväntade etsningsbeteende, men det är fortfarande mycket vi inte förstår. Fortfarande, det är en spännande och mycket användbar teknik för oss. På samma gång, det är goda nyheter för de tusentals forskare runt om i världen som tänjer på gränserna för 2D nanoelektronik och nanofotonik."

Stöds av den oberoende forskningsfonden Danmark, inom METATUNE-projektet, Dorte Danielsen kommer att fortsätta sitt arbete med extremt vassa nanostrukturer. Här, tekniken hon hjälpte till att utveckla, kommer att användas för att skapa och utforska optiska metalenses som kan ställas in elektriskt.