Silicen är kisels svar på grafen

Kisel används till mycket av dagens elektronik. Materialet har förfinats under tiotals år. För bara några år sedan blev kolmaterialet grafen ett lager av kolatomer en stark konkurrent, då nanomaterialet ger bättre och snabbare elektronik. Nu svarar kisel utmaningen genom silicenett nanomaterial av kiselatomer i ett lager.

Grafen består av ett lager kolatomer som bildar en tvådimensionell struktur med   kvantmekaniska effekter. Kombinationen av dessa effekter och kolatomernas egenskaper ger en mängd unika materialegenskaper: elektronerna blir upp mot hundra gånger snabbare än i kisel, ytan blir superkänslig för enstaka molekyler och materialet får en enorm styrka. Grafenets fascinerande egenskaper utmanar kisel inom många tillämpningar – allt från sensorer till supersnabba processorer.

Men kisel har använts länge och etablerat sig hos elektronikjättarna. Moderna utrustningsparker har byggts upp kring materialet i allt från tillverkning av råmaterialet till ultramoderna processningsutrustningar för högvolymproduktion. Detta göra att grafen möter ett starkt motstånd från kisel.

Ett alternativ är att integrera grafen med kisel för att utnyttja unika egenskaper hos grafen med fördelarna hos kisel. Men kol- och kiselatomerna kan bilda kiselkarbid. En film av kiselkarbid på en kiselskiva ger stora spänningar. Filmen kan till och med böja kiselskivan eftersom kristallstrukturerna hos kisel och kiselkarbid inte riktigt matchar. Det är en utmaning att kombinera kolatomerna i grafen med kisel.

_MG_6877_web

Nya kombinationer med kiselkarbid

Intressant är att teoretiska studier påvisar att silicen på kiselkarbid kan ge en större variation av de elektriska egenskaperna hos silicen. Kiselkarbid består av kisel och kol. Den ena ytan av kiselkarbid kan således avslutas med kiselatomer, den andra med kolatomer.

Beräkningar visar att silicen på kiselsidan får de kvantmekaniska egenskaper man kan förvänta sig efter en exponering mot vätgas. Däremot blir silicen metalliskt när det ligger på kolsidan. Eftersom kiselkarbiden även kan dopas för att bli isolerande eller halvledande kan en mängd olika variationer av komponentstrukturer skapas.

Från teori till experiment

Första gången man började fundera på ett tvådimensionellt material av kiselatomer var år 1994, men det blev inte någon enorm respons inom forskningen. Tankarna återupptogs 2007 och materialet fick namnet silicen, men det handlade bara om teoretiska beräkningar. Det är en långt större utmaning att framställa materialet.

Parallellt med grafenmaterialets ökande popularitet har fler forskargrupper börjat studera framställning av silicen. Men kol har en enorm fördel eftersom det går att få fram små flagor av grafen genom att skala av bitar från grafit. Kisel har ingen motsvarande struktur som kan användas för att skala av flagor av silicen.

Grundidén att framställa silicen var att använda en metall och placera kiselatomer på metallen. Metallen måste ha egenskaper som gör att kisel inte reagerar med metallatomerna, eller vill bilda en blandad struktur av något slag. Tidigare hade olika tråd- eller cylinderliknande strukturer av kisel framställts på silver.

Den största utmaningen var inte att framställa materialet på silver, utan att verkligen kunna visa att det blev ett lager kiselatomer med liknande egenskaper som hos grafen. En ren silveryta kan nämligen få liknande hönsnätsmönster som beräknats för silicen. Forskarnas uppgift låg därför i att visa upp både struktur och elektroniska egenskaper. Det var först år 2012 som forskare lyckades visa upp otvetydiga bevis för silicen.

Patrick_Vogt_J0A6214_13_web

Patrick Vogt från Tekniska Universitetet i Berlin är en av de ledande forskarna inom silicen. En av hans artiklar från 2012 används som referens för när man visade upp silicen experimentellt på silver.

Fler möjligheter från variation av ytan

Till skillnad mot grafen har silicen en vis ojämnhet över ytan, oftast beskriven som en bucklighet. Det tvådimensionella materialet är således inte helt plant. Visserligen har liknande observationer gjorts för grafen, men ojämnheten är mer påtaglig i silicen.

Det finns en del intressanta aspekter som uppstår på grund av den buckliga ytan. Ojämnheten gör att laddningsbärarna i silicen växelverkar annorlunda med elektriska fält än grafen, trots att båda egentligen har en tvådimensionell struktur. Silicen kan därmed ge upphov till andra kvantmekaniska effekter.

Svensk forskning

Den svenska forskningen om silicen har inte fått samma fart som i Europa och övriga världen, men det finns bland annat ett par grupper i Uppsala och på KTH som börjat studera teoretiska aspekter.

­– Både silicen och grafen är metalliska material som, trots att de är hexagonala strukturer, har en skillnad i atomernas placering. Grafen har en plan yta medan ytan hos silicen är bucklig på grund av en hybridisering hos bindningarna. Silicen är mer reaktiv på grund av detta och därmed bättre som biosensor, förklarar Ralph Scheicher från Uppsala universitet som leder en grupp som studerar silicen teoretiskt för olika biologiska tillämpningar.

Molekyler som fastnar på ytan av ett biosensormaterial ändrar resistansen. Molekylerna tillför elektroner eller fångar upp elektron, vilket ändrar ledningsförmågan hos silicen och således resistansen.

– Att silicen är mer reaktiv betyder inte att alla molekyler påverkar ledningsförmågan hos silicen. Vi ser exempelvis att cytosin och guanin ger fem procents ändring av den elektriska ledningsförmågan, medan adenin och tymin inte ger någon effekt, säger Rodrigo Amorim från Uppsala universitet om beräkningar av växelverkan mellan silicen och olika kvävebaser som bygger upp DNA.

Rodrigo_Ralph-color_web

Rodrigo Amorim och Ralph Scheicher från Uppsala universitet forskar bland annat om växelverkan mellan DNA på grafen och silicen

Det finns många forskningsmöjligheter inom området och det blir onekligen många jämförelser med grafen. Alla underlagsmaterial för silicen är än så länge ledande, vilket kraftigt försvårar användningen av silicen eftersom många tillämpningar kräver isolatorer eller halvledare. Samtidigt får man ha i minne att silicen är väldigt nytt, och att vi kan förvänta oss mycket utveckling inom området.

Advertisements

About mikaelsyvajarvi

Att stanna upp, betrakta och uppleva | www.bildsinne.se
This entry was posted in Uncategorized. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s