Pressmeddelande från Informationsenheten, Lunds universitet,  2002-02-21
Göran Frankel 046-222 94 58
Goran.Frankel@info.lu.se

Genombrott för nanotrådar


Europa ligger steget före USA i utvecklingen av en ny typ av halvledarstrukturer som består av ofattbart tunna nanotrådar. En svensk grupp ledd av professor Lars Samuelson på LTH, Lunds Tekniska högskola, har intagit tätpositionen på detta forskningsområde.
- I nanotrådarna kan halvledarmaterial som tidigare varit omöjliga att få att växa på varandra förenas. Resultatet blir helt nya elektriska egenskaper: en enda elektron kan kontrolleras och fås att löpa i en endimensionell elektronisk hinderbana, säger professor Samuelson.

Frågan om vem som var först har blivit intressant därför att det här är en så het vetenskaplig nyhet. Artikeln från LTH-gruppen skickades in en månad före en artikel från Berkeley University och ca sju veckor före en annan artikel i ämnet från en grupp vid Harvard University . Lundagruppen blev också först med att komma i tryck i Applied Physics Letters (Vol 80, 1058, 2002) följt av två artiklar från Berkeleygruppen och Samuelsons grupp som publicerades gemensamt i februarinumret av Nano Letters. Harvardgruppens artikel dök upp i denna vecka i Nature. De nya rönen har i dagarna också kommenterats på nyhetsplats i Science (News of the week).

Det ser alltså ut som om amerikanerna ligger tätt i hälarna på den svenska gruppen. Men det är en synvilla. När allt material nu är publicerat visar det sig nämligen att LTH-forskarna har bemästrat de materialtekniska processerna med en precision som amerikanerna ännu inte uppnått.

Det klassiska sättet att bygga upp små strukturer på elektronikchip är att arbeta i två dimensioner. Man lägger materialet i plattor ovanpå varandra, och det är i gränsskiktet mellan de olika halvledarmaterialen som de intressanta elektriska egenskaperna uppstår. Men vissa material låter sig bara ofullständigt förenas med varandra. Det är fallet med t ex indiumarsenid och indiumfosfid. Den kristallina processen blir efter ett första tunt lager ojämn och defekt när det ena materialet ska växa till på det andra. Med den nya tekniken sätts material som aldrig tidigare kunnat kombineras nu samman.

I ett par år har ledande forskargrupper intresserat sig för trådliknande strukturer och lärt sig att bilda sådana trådar. Nanotrådarna har en diameter på 10 - 70 nanometer och kan bli en faktor tusen gånger längre än sin diameter. (En nm = en miljarddels meter) För att få en tråd av ett hårstrås storlek skulle man behöva bunta ihop minst tio miljoner nanotrådar! Inom halvledarforskningen har man också intresserat sig för s k nanotuber av kol, och förra året kunde forskare rapportera om kolnanotuber som innehöll transistorer och om nanotrådar som både innehöll transistorer och fungerade som logiska kretsar.

Men kolnanotuberna och nanotrådarna har fram till nu bara kunnat konstrueras i ett enda genomgående material, och av det blir det ingen effektiv elektronik. Det nu aktuella genombrottet består i att en nanotråd kan innehålla segment av olika material, t ex indiumarsenid och indiumfosfid. Ju skarpare gränsövergången mellan dessa segment är desto bättre kan man kontrollera den elektriska strömmen genom tråden. Det är i det här avseendet resultaten från LTH är klart överlägsna. Amerikanerna har uppnått en övergångszon på 15-20 nm, medan LTH-gruppen kommit ner till en övergångszon som motsvarar ett skikt av atomer - med andra ord en atomärt skarp övergång. Dessutom har Samuelsons grupp till skillnad från amerikanerna kunnat mäta hur de nya trådarna beter sig elektriskt. Det är en teknisk bedrift att fästa de relativt klumpiga kontakter som nyttjas i konventionell elektronik på de fina trådarna.

Samuelsons forskningsgrupp - som är knuten till Nanometerkonsortiet vid Lunds universitet - utgår från en guldpartikel i nanostorlek när man gör trådarna. Partikeln kan läggas på exempelvis ett underlag av indium. Detta upphettas och guld och indium bildar en smälta. Processen äger rum i ultravakuum. Arsenik tillförs med en s k molekylär epitaxistråle tills smältan är mättad. När den kyls utkristalliseras indiumarsenid under guldet. Guldet är en katalysator som förblir oförändrad i processen. Efter hand som kristalliseringen pågår växer en pelare under guldet. Om man nu börjar tillföra exempelvis fosfor till indiumsmältan börjar en ny kristallisering som ger upphov till indiumfosfid.

- Det här öppnar vägen för en snabbare, energisnålare och ännu mera miniatyriserad elektronik, säger professor Samuelson. Nanotrådarna kan även byggas upp ovanpå tvådimensionella strukturer och alltså kombineras med den konventionella ÓsandwichstrukturenÓ.
- Helt nya material kan komma att tillverkas. Av särskilt intresse är att man med denna teknik sannolikt kan tillverka material för magnetisk lagring där man med de aktuella dimensionerna på nanotrådarna kan nå terabit-densiteter i informationslagringen på en hårddisk.
- Det blir t ex möjligt att skicka en elektrisk impuls genom en nanotråd och därmed kunna skapa en enda foton att användas i t ex fiberoptisk kommunikation. Detta är ett genombrott inom kvantoptik och informationsöverföring. I dag går det att illegalt tappa en optisk fiber på information utan att bli upptäckt. Men när de digitala ettorna inte längre består av en klunga fotoner utan en enda foton , ja då vet en mottagare omedelbart att han är avlyssnad eftersom signalen försvinner.
- Man kan också konstruera oerhört små lysdioder och extremt små och snabba ljusdetektorer. Jag vågar nästan lova att vi i vårt laboratorium före detta års utgång ska kunna skapa en punktformig ljuskälla med en storlek på , låt oss säga, 25 x 25 x 25 nm. Så små lysdioder kan bli mycket viktiga för t ex optisk informationslagring och för tillämpningar inom medicin och biologi, säger professor Samuelson och tillägger:
- Nanotrådarna är inte bara av intresse inom elektroniken. De är av betydelse för utvecklingen av nya material och även inom fysikalisk grundforskning. Nanotrådarna kan bli ÓtestbänkarÓ för hur elektroner och fotoner beter sig under nya förutsättningar.






Lars Samuelson är professor på Avd f fasta tillståndets fysik och ledare för Nanometerkonsortiet vid Lunds universitet. Han kan nås på tel 046-222 76 79, e-post Lars. Samuelson@ftf.lth.se

http://www.lth.se/nytt/SCIENCE8Feb'02-Nanowires.pdf. LŠs Šven artikeln i Nano Letters, februari 2002: http://www.lth.se/nytt/One-dimSteeplechase...pdf>http://www.lth.se/nytt/One-dimSteeplechase...pdf (om'>http://www.lth.se/nytt/SCIENCE8Feb'02-Nanowires.pdf>http://www.lth.se/nytt/SCIENCE8Feb'02-Nanowires.pdf. LŠs Šven artikeln i Nano Letters, februari 2002: http://www.lth.se/nytt/One-dimSteeplechase...pdf>http://www.lth.se/nytt/One-dimSteeplechase...pdf (om


Pressmeddelanden, index | Informationsenhetens hemsida | Lunds universitets hemsida
webmaster@info.lu.se
2002-02-21