Een nieuwe methode ontwerpt nanomaterialen met een nauwkeurigheid van minder dan 10 nanometer. Het zou de weg kunnen effenen voor snellere, energiezuinigere elektronica.

DTU- en Graphene Flagship-onderzoekers hebben de kunst van het modelleren van nanomaterialen naar een hoger niveau getild. Nauwkeurige patronen van 2D-materialen is een route naar berekening en opslag met behulp van 2D-materialen, die betere prestaties en een veel lager stroomverbruik kan leveren dan de huidige technologie.

Een van de belangrijkste recente ontdekkingen binnen de natuurkunde en materiaaltechnologie zijn tweedimensionale materialen zoals grafeen. Grafeen is sterker, gladder, aansteker, en beter in het geleiden van warmte en elektriciteit dan enig ander bekend materiaal.

Hun meest unieke kenmerk is misschien wel hun programmeerbaarheid. Door delicate patronen in deze materialen te creëren, we kunnen hun eigenschappen drastisch veranderen en mogelijk precies maken wat we nodig hebben.

Bij DTU, wetenschappers hebben meer dan een decennium gewerkt aan het verbeteren van de stand van de techniek bij het patroontekenen van 2D-materialen, met behulp van geavanceerde lithografiemachines in de 1500 m ² cleanroom faciliteit. Hun werk is gebaseerd in DTU's Center for Nanostructured Graphene, ondersteund door de Deense National Research Foundation en een onderdeel van The Graphene Flagship.

Het elektronenstraallithografiesysteem in DTU Nanolab kan details schrijven tot 10 nanometer. Computerberekeningen kunnen precies de vorm en grootte van patronen in het grafeen voorspellen om nieuwe soorten elektronica te creëren. Ze kunnen gebruikmaken van de lading van het elektron en kwantumeigenschappen zoals spin- of dalvrijheidsgraden, wat leidt tot snelle berekeningen met veel minder stroomverbruik. Deze berekeningen, echter, vragen om een ​​hogere resolutie dan zelfs de beste lithografiesystemen kunnen leveren:atomaire resolutie.

"Als we echt de schatkist willen ontsluiten voor toekomstige kwantumelektronica, we moeten onder de 10 nanometer gaan en de atomaire schaal naderen, ’ zegt hoogleraar en groepsleider bij DTU Natuurkunde, Peter Boggild.

En dat is precies waar de onderzoekers in zijn geslaagd.

"We hebben in 2019 laten zien dat cirkelvormige gaten die met een tussenruimte van slechts 12 nanometer zijn geplaatst, het halfmetalen grafeen in een halfgeleider veranderen. Nu weten we hoe we cirkelvormige gaten en andere vormen zoals driehoeken kunnen maken, met nanometer scherpe hoeken. Dergelijke patronen kunnen elektronen sorteren op basis van hun spin en essentiële componenten creëren voor spintronica of valleytronics. De techniek werkt ook op andere 2D-materialen. Met deze superkleine structuren, we kunnen zeer compacte en elektrisch afstembare metalenses maken voor gebruik in hogesnelheidscommunicatie en biotechnologie, " legt Peter Bøggild uit.

Haarscherpe driehoek

Het onderzoek werd geleid door postdoc Lene Gammelgaard, een ingenieur afgestudeerd aan DTU in 2013 die sindsdien een cruciale rol heeft gespeeld in de experimentele verkenning van 2D-materialen bij DTU:

"De truc is om het hexagonale boornitride van het nanomateriaal op het materiaal dat je wilt patroon te plaatsen. Dan boor je gaten met een bepaald etsrecept, " zegt Lene Gammelgaard, en vervolgt:

"Het etsproces dat we de afgelopen jaren hebben ontwikkeld, verkleint patronen onder de anders onbreekbare grens van onze elektronenbundellithografiesystemen van ongeveer 10 nanometer. Stel dat we een cirkelvormig gat maken met een diameter van 20 nanometer, dan kan het gat in het grafeen worden verkleind tot 10 nanometer, terwijl als we een driehoekig gat maken, met de ronde gaten die uit het lithografiesysteem komen, de inkrimping zal een kleinere driehoek maken met zelfgeslepen hoeken. Gebruikelijk, patronen worden imperfecter als je ze kleiner maakt. Dit is het tegenovergestelde, en dit stelt ons in staat om de structuren te recreëren waarvan de theoretische voorspellingen ons vertellen dat ze optimaal zijn."

Men kan, bijv. produceren platte elektronische metaallenzen - een soort supercompacte optische lens die elektrisch kan worden bestuurd bij zeer hoge frequenties, en die volgens Lene Gammelgaard essentiële componenten kunnen worden voor de communicatietechnologie en biotechnologie van de toekomst.

Grenzen verleggen

De andere sleutelpersoon is een jonge student, Dorte Daniëlsen. Ze raakte geïnteresseerd in nanofysica na een stage in de 9e klas in 2012, won een plek in de finale van een nationale wetenschapswedstrijd voor middelbare scholieren in 2014, en volgde studies in natuurkunde en nanotechnologie in het kader van DTU's honoursprogramma voor elitestudenten.

Ze legt uit dat het mechanisme achter de "superresolutie" -structuren nog steeds niet goed wordt begrepen:

"We hebben verschillende mogelijke verklaringen voor dit onverwachte etsgedrag, maar er is nog veel dat we niet begrijpen. Nog altijd, het is een spannende en zeer bruikbare techniek voor ons. Tegelijkertijd, het is goed nieuws voor de duizenden onderzoekers over de hele wereld die de grenzen verleggen voor 2D-nano-elektronica en nanofotonica."

Ondersteund door het Independent Research Fund Denmark, binnen het METATUNE-project, Dorte Danielsen gaat verder met haar werk aan extreem scherpe nanostructuren. Hier, de technologie die ze heeft helpen ontwikkelen, zullen worden gebruikt om optische metalenses te maken en te onderzoeken die elektrisch kunnen worden afgestemd.