Elektronikens hopp

Till ganska nyligen trodde vetenskapen att kol kan existera i två olika former – grafit och diamant. Men 1985 upptäcktes en tredje sorts kol i form av runda ihåliga bollar – de så kallade fullerenerna. När man så småningom började massproducera fullerener, dök det överraskande upp en fjärde variant av kol – nanotuber.

De är nära släkt med de runda fullerenerna men bildar ihåliga rör där grafitskiktet rullas ihop till en tub med två fullerenhalvor i vardera änden. Diametern är bara något större än 1 nanometer (en miljarddels meter) och längden några hundra nanometer. Ofta bildas tuberna inte en och en utan består av flera stycken inuti varandra, som ryska dockor.

Häpnadsväckande material

Febril aktivitet pågår bland materialforskare runt om i världen, eftersom nanotuberna uppvisar så intressanta egenskaper. De är elastiska och sega och mycket starka. Förväntningarna har ökat på att kunna få fram mikroskopiska robotar, buckelfria bilkarosser och jordbävningssäkra byggnader. Det är fortfarande långt till de praktiska tillämpningarna, men kompositmaterial som utnyttjar nanotubernas styrka och låga vikt finns redan i exempelvis tennisracketar. Vissa bilmärken blandar in plastdelar med elektriskt laddade nanotuber vid lackeringen för att få färgen att fästa bättre. Tekniken att leda ljus i nanotuber och konstruera platta skärmar är långt framme, och produkterna kommer snart ut på marknaden.

De flesta användningsområdena bygger på nanotubernas förmåga att leda elektricitet. Inom elektroniken kan tuberna komma att spela samma roll som kisel i dag gör för elektroniska kretsar. Fast här har komponenterna minskat till molekylär nivå, där kisel och andra halvledande material slutar att fungera. Med nanotuberna kan man få fram mindre och därmed snabbare kretsar som använder mindre energi än de som finns i dag.

Kvantfysiken styr

Kolnanotubernas unika elektroniska egenskaper beror dels på deras storlek – på den här nivån styr kvantfysikens lagar – dels på den unika karaktären hos grafit. Elektronernas kvantegenskaper gör att de kan uppföra sig både som partiklar och som vågor. Det gör att de ibland kan förstöra sig själva: en elektronvåg som sprider sig runt en nanotub kan radera sig själv när vågdalen från det ena varvet möter vågtoppen från det andra.

Grafit är en säregen halvmetall, vilket gör nanotuberna än mer intressanta för elektroniken. Av alla våglängder och kvanttillstånd som är möjliga i ett grafitskikt är det bara ett begränsat antal som blir tillåtna när grafiten rullas ihop till en nanotub. Vilka det blir beror på tubens omkrets och dess vridning, kiralitet. Detta vore inte så märkligt om grafit var en vanlig metall eller halvledare, men halvmetaller är märkligare än så. I ett halvmetalliskt grafitskikt finns ett särskilt tillstånd för elektronerna, en Fermis punkt, som tilllåter dem att röra sig helt fritt medan inga andra elektroner kan förflytta sig.

Blott en tredjedel av alla nanotuber har den rätta diametern och rätt kiralitet för att innefatta Fermis punkt. Dessa nanotuber blir metalliska nanoledare. De återstående två tredjedalarna är halvledare. Dessa kan bara leda elektricitet om elektronerna får en energikick så de exciteras till ledande tillstånd, där de alltså kan röra sig fritt. Energin som man behöver tillföra elektronerna bestäms av nanotubens diameter. Mycket smala rör kräver högre energier och påminner om den halvledande kiseln. Ju större diameter, desto fler tillåtna tillstånd hos elektronerna och desto lägre energi krävs. Detta innebär att nanotubernas elektriska egenskaper skulle kunna finjusteras.

Blir slumpens verk

Det finns ett klart samband mellan nanotubernas geometriska form och deras elektriska egenskaper. Sambandet förutsågs teoretiskt mycket snart efter det att de första nanotuberna upptäcktes år 1991. Men det tog ett bra tag, till 1998, innan man experimentellt kunde bekräfta detta.

Formen beskrivs med två heltal, n och m, som motsvarar nanotubernas diameter och vridning. Om talen är lika kallas nanotuben för fåtöljtub därför att kolatomerna i änden bildar formen av en fåtölj. Elektriskt uppför de sig som vanliga metaller. Nanotuber där m är lika med 0 kallas sicksacktuber och är antingen metalliska (om m är en multipel av 3) eller halvledande. Alla övriga nanotuber betecknas som kirala – kolatomerna sitter i spiral runt tubens axel. De kirala tuberna är i allmänhet halvledande.

Men hur vi än gör vid tillverkningen i praktiken får vi fram en slumpvis blandning av olika nanotuber. Ingen vet i dag hur man ska bära sig åt för att styra vilka nanotuber man åstadkommer och på så sätt välja deras elektriska egenskaper. Trots detta görs stora ansträngningar för att utnyttja nanotuberna i elektroniska kretsar, och åtskilliga har lyckats konstruera avancerade transistorer av kolnanotuber. Nyligen har två amerikanska forskargrupper visat att vissa anordningar med kolnanotuber är mycket effektivare än de bästa kiseltransistorerna.

Bildas i hettan

De flesta konstruktioner tillverkas en och en med hjälp av avancerad litografibehandling, och ibland söker man rätt på speciella nanotuber med atommikroskop för att sedan placera dem på bestämda platser i elektronikkonstruktionerna. Vår grupp – caramel (Materials Research Consortium i Göteborg) – söker efter metoder att masstillverka elektroniska delar med nanotuber. Till exempel försöker vi placera många nanotuber på ett chips i ett enda steg. Eller få fram nanotuber med specifik längd, diameter och vridning direkt på särskilt utvalda ställen.

För att få fram nanotuberna värmer vi först kolväten till mycket höga temperaturer, mellan 700 och 1 000 grader, i närvaro av katalyserande partiklar, oftast järn eller nickel. Då delas gasen i sina beståndsdelar, kol och väte. När koncentrationen av kol i den katalyserande partikeln blir tillräckligt hög börjar nanotuberna växa fram. Ibland använder vi även elektriska urladdningar för att bryta ner ursprungsgaserna. Möjligen hjälper också den elektriska urladdningen till med att rensa bort de mest oformliga kolprodukterna, för oftast får vi färre defekta nanotuber när elektrisk spänning är inblandad.

Storleken på partikeln styr tubens diameter, och dess längd kan styras av hur länge processen pågår. Till exempel har vi fått fram en tunn hinna, en film bestående av nanotuber som vuxit kring en järnpartikel. Tillväxten sker med 9 mikrometer i minuten.

Sådana nanotubfilmer kan i framtiden ersätta flytande kristaller som material i platta skärmar. Nanotuberna ger en mycket skarp bild vid lägre spänning, de är mycket robusta och de tål exceptionellt höga strömstyrkor. En bärbar röntgenkälla byggd med nanotubfilmer har också kunnat konstrueras.

Dyra att masstillverka

När vi i stället för järn använde en annan katalyserande partikel – nickel – fick vi fram enstaka nanotuber med flera väggar hopvirade inuti varandra. Här kunde vi styra storleken och läget på nanotuberna genom att välja storlek på de katalyserande nickelpartiklarna och placera dem på substratet där vi ville ha nanotuberna. Med den metoden blev nanotuberna större: mellan 20 och 50 nanometer i diameter och cirka 200 nanometer höga.

Vi har också tillverkat nanotuber mellan två elektroder där den elektriska strömmen kan styra var någonstans de tillverkade nanotuberna ska hamna. Nyckelproblemet här är återigen att kunna påverka nanotubernas kiralitet, som i sin tur bestämmer deras elektriska egenskaper. Många forskare, däribland några av forskargrupperna här i Göteborg, försöker nu lösa detta. Ett sätt är att, efter att ha fått fram tuberna, förstöra dem som inte passar och behålla dem man behöver – de metalliska eller de halvledande.

Vi vet redan att nanotuberna rymmer oerhörda möjligheter – förmodligen kommer de att efterträda kiselteknologin. Men för att kunna tillverka dem i stor skala behöver priset på materialet sjunka ytterligare. För några år sedan kostade nanotuber över 8 000 kronor per gram, numera kostar de ”bara” 800 kronor per gram. Nyligen har ett kinesiskt företag börjat erbjuda god kvalitet för endast 15 kronor grammet, fast bara om man köper nanotuberna kilovis. Snart är alltså priset inte längre så hämmande för utvecklingen, och nu tävlar forskarna om att vara först med att skapa de smartaste lösningarna på de olika problem vi stött på.