Carbon atoms assemble themselves on command

Using a new method that gets carbon atoms to assemble themselves, researchers open up for opportunities to create quantum dots that can revolutionise the information technology of the future.

2017.06.30 | Rasmus Rørbæk

Scanning tunnel microscope image and model of self-assembled graphene quantum dots. (Illustration: DTU/AU)

In order for computers and storage media to keep up with the explosive increase in the amount of data to be stored and processed, researchers and companies are investing enormous sums in lithographic processes that can create ultra-small patterns for the electronic components on which the information society is based. However, there is a lower limit for how small and precise the patterns can be using existing technologies. The extreme writing processes have in practice reached their limit, and are increasingly difficult and expensive to improve.

Read more (in Danish only) below. For contact details in English, go to the bottom of the page.

Samtidigt er hver eneste dyr, plante og biologiske organisme et resultat af en helt anden proces, nemlig selvorganisering. Her danner materialerne selv de ønskede strukturer for at finde en form, der koster mindst mulig energi; hurtigt og billigt.

Forskere fra DTU, Aarhus Universitet, IBM og Brookhaven har for første gang fået selv-organisering til at virke i de aller-tyndeste film, der eksisterer: de todimensionale materialer. Det mest kendte af slagsen er grafen, der udelukkende består af kulstofatomer, og som har fænomenale elektriske egenskaber. Det skaber nyt håb om super-lagringsmedier i uhyre lille skala.

Gennembrud i materialeforskningen
Problemet med de atomtynde lag er, at det meget svært for de selv-organiserende processer at gøre deres arbejde.

Luca Camilli fra DTU Nanotech udnyttede, sammen med lektor Liv Hornekær’s forskergruppe ved Aarhus Universitet, deres store erfaring med syntese af todimensionelle materialer i kombination med skanning tunnel mikroskopi til at finde en løsning.

Den har de fundet nu og Liv Hornekær fortæller begejstret:

”Ved at danne todimensionelle legeringer af bor, nitrogen og kulstof på iridium overflader af høj kvalitet, hjælper overfladen atomerne med at finde sammen i et gitter af kun to nanometer store grafen-øer, og hvor perioden kan blive så lav som fire nanometer. En enkelt ø er dermed blot 15 kulstofatomer bred. En ny teoretiske model udviklet af samarbejdspartner Jerry Tersoff fra IBM indikerer, at netop iridiums indblanding er det, der gør, at det fungerer – og at andre metaller måske kan spille samme rolle.”

På DTU deler professor Peter Bøggild begejstringen og mener, at der er et stort potentiale i den nye opdagelse.

”Vi ved, at mønstring af tynde film er en af nøglerne til at fremelske helt nye egenskaber, og jeg synes, vi kan tale om et gennembrud her. Vi ved allerede, hvordan vi kan stable materialerne ét lag af gangen, og nu ser det ud til, at vi også kan mønstre dem i noget, der nærmer sig atomar opløsning. Det bliver spændende at se, hvor langt vi kan nå med denne strategi”.

Kontrolleret skabelsesproces
Forskerne fandt ud af, at afstanden mellem grafen-øerne kan ”programmeres” ved at kontrollere gaskoncentration og temperatur under dannelsen af de tynde lag. Det åbner helt nye muligheder for den fremtidige fremstilling af litografiske mønstre i nanostørrelse.

Peter Bøggild mener dog, at det stadig er tidligt at sige noget om anvendelser:

”Vi har i bund og grund opdaget en ny måde at kontrollere nanomaterialer på atomar skala. Grafen-øer opfører sig som små kunstige atomer og kan bruges til mange forskellige anvendelser indenfor energisektoren, biosensorer og optoelektronik. Men der, hvor det bliver rigtigt spændende, er, hvis vi kan lære at lave det samme nummer med nogle af de hundredevis af andre atomtynde film, som vi kender i dag – at få dem til at samle sig selv til komplekse strukturer er en hellig gral i dette forskningsfelt."

The research has just been published in Nature Communications .

For more information, please contact
Associate Professor Liv Hornekær
Department of Physics and Astronomy
Aarhus University
Mobile: +45 6166 3133
liv@phys.au.dk

 

 

Public / media, Science and Technology