Jakten på fler mirakelmaterial

Tänk dig en värld med bara två dimensioner. Allt är i ett plan. Saker har längd och bredd, men ingen höjd. En sådan värld beskriver författaren Edwin Abbott i boken Flatland som kom ut 1884. Huvudperson är en fyrkant som beskriver livet och invånarna som olika geometriska figurer. Kvinnorna är till exempel streck, som ständigt måste röra på sig för att se ut att vara mer än en prick från sidan.

Boken har uppfattats som en satir över klassamhället i dåtidens Storbritannien – men det är också den första romanen som utforskar olika dimensioner.

Det gör att den länge har fascinerat fysiker. En som ofta refererar till Flatland i sina föreläsningar är Konstantin Novoselov. Tillsammans med Andre Geim fick han Nobelpriset i fysik 2010 för upptäckten av det nya supermaterialet grafen.

Att Novoselov fängslas av en bok som är befolkad av streck, cirklar och månghörningar är inte så konstigt. Upptäckten av grafen har inneburit att materialen tagit steget in i sitt eget flatland.

Grafen består av ett enda atomlager kol och räknas som världens första tvådimensionella material. Tunnare än så kan ett material inte bli.

Nu protesterar nog en och annan. Ett material måste väl ändå ha en höjd, om än räknat i nanometer?

Ja, men i det här fallet är det fysiken som definierar begreppet. I ett tvådimensionellt material är elektronerna fast i ett plan och med det följer nya egenskaper som inte finns hos materialet i vanliga fall. Grafen har till exempel överlägsen styrka och förmåga att leda såväl el som värme. Det är böjbart, genomskinligt och lätt. Dessutom är det en effektiv barriär mot andra ämnen.

Kol är inte ensamt om att få nya, unika egenskaper i superplatt format. Nu pågår en intensiv jakt på andra tvådimensionella material.

– Det öppnas en helt ny värld. I teorin finns det kanske tusen tänkbara kandidater, säger Saroj Prasad Dash, docent i kvantkomponentfysik vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg.

Chalmers är navet i den svenska grafen-forskningen, med ett särskilt centrum för forskning om det tvådimensionella materialet. Här koordineras också EU:s tioåriga mastodontprogram Graphene flagship, liksom det nationella innovationsprogrammet SIO grafen.

Men även om grafen stjäl det mesta av strålkastarljuset så innehåller programmen också forskning om andra 2D-material. Allt fler forskare intresserar sig också för de nya kusinerna i 2D-familjen.

Saroj Prasad Dash på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap är en av dem. Tillsammans med forskarna Timur Shegai och André Dankert på Institutionen för fysik undersöker han bland annat möjligheten att bygga transistorer och ljuskänsliga sensorer med hjälp av en materialgrupp som kallas övergångsmetall-dikalgogenider, TMD, transition metal dichalcogenider.

Precis som grafen kan de klyvas till stabila, tunna skivor där en metall – vanligen molybden eller volfram – ligger inbakad mellan till exempel svavel eller selen.

Trots att TMD-kristallerna är tre atomlager tjocka räknas de till 2D-materialen, eftersom de uppvisar unika egenskaper.

– De är till exempel extremt bra på att absorbera ljus, mycket bättre än vad man kan vänta sig med tanke på att de är så tunna, säger Timur Shegai.

Detta öppnar för olika optiska tillämpningar, som att bygga nya typer av ljuskänsliga sensorer, lysdioder och lasrar. Forskare vid universitetet i Manchester i Storbritannien har till och med visat att det går att bygga solceller med TMD som bas.

TMD-materialen har dessutom något som grafen saknar – ett så kallat bandgap. Det betyder att de är halvledare, som kisel, och kräver en viss spänning för att leda ström. Med halvledare går det att bygga till exempel transistorer, som är grundbulten i våra datorer.

Grafen har ibland framställts som ett undermaterial som kan ersätta såväl kisel som stål. Men det avfärdas av Chalmersforskarna. För att slå igenom på allvar måste grafen få hjälp av andra 2D-material.

– Grafen är en semimetall och en god ledare, men för att bygga kompletta elektroniska komponenter behöver man också halvledare och isolatorer, säger Saroj Prasad Dash.

Ett av de första 2D-materialen efter grafen är just en isolator. Ämnet heter hexagonal bornitrid och kallas även vit grafen på grund av den liknande atomstrukturen.

Hexagonal bornitrid har visat sig mycket användbart för att kapsla in och tjäna som underlag för andra 2D-material, inte minst grafen.

– Jämfört med andra ämnen, som titandioxid, är det ett perfekt material. Det är helt slätt samtidigt som det inte påverkar grafens egenskaper, förklarar Saroj Prasad Dash.

Nu kommer vi in på en av de riktigt intressanta möjligheterna i materialens flatland. Det visar sig att det går att stapla flak av olika 2D-material på hög, som korten i en kortlek. Trots att flaken ligger tätt sammanpackade reagerar de inte med varandra. I stället binds de ihop av den så kallade van der Waals-kraften, den svagaste kopplingen mellan molekyler. Kortlekarna kallas därför van der Waals-heterostrukturer.

Detta öppnar oändliga möjligheter för att skapa nya, skräddarsydda material med precisa egenskaper.

– Det är svårt att tänka sig hur du kan få fram de här egenskaperna på något annat sätt. De bestäms helt enkelt av i vilken ordning du lägger lagren på varandra, säger Timur Shegai.

Forskarnas vision är att skapa en verktygslåda av 2D-material som har olika egenskaper. Med datorns hjälp kan forskarna sedan designa material med önskad funktion.

Strukturer med upp till 16 lager har byggts på labb, men steget till verkliga produkter är fortfarande långt.

Det är en komplex uppgift att utforska alla kombinationer. En annan stor utmaning är att det än så länge saknas bra metoder för att i stor skala framställa 2D-material av hög kvalitet.

När Novoselov och Geim framställde det första grafenet 2004 använde de vanlig tejp för att rycka loss allt tunnare flagor av grafit. Det är en metod som fortfarande används på många labb.

– Då fungerar det, men inte om du ska tillverka miljoner produkter med höga krav på precision. Dit är det fortfarande långt, säger Timur Shegai.

Vissa 2D-material är dessutom instabila och kan bara tillverkas vid extremt låg temperatur. De är också mycket känsliga och reagerar lätt med andra ämnen i omgivningen, vilket kan vara en stor nackdel vid hanteringen.

En förklaring till detta är att de har så stor yta i förhållande till sin volym. En annan är att de fysiska lagarna är annorlunda i flatland.

– Fysiken sker i två dimensioner. Så fort du stör med något från den tredje dimensionen så ändras fysiken och därmed egenskaperna, säger Timur Shegai.

Men den höga känsligheten kan också vara en fördel. Docent Ermin Malic har tillsammans med sina medarbetare nyligen patentsökt en ny typ av sensor som bygger på TMD-materialet volframdisulfid. När en molekyl sätter sig på ytan ändras det optiska fingeravtrycket – det vill säga hur ytan absorberar ljus – på ett mycket mer precist sätt än i dagens ljuskänsliga sensorer.

Hemligheten ligger i den tvådimensionella fysiken. Här finns så kallade mörka elektroniska tillstånd, som lyser upp när molekyler finns i närheten.

Ermin Malic hoppas att de nya rönen ska leda till ultratunna sensorer som med hög precision kan detektera till exempel miljögifter.

– Potentialen är stor och visar också hur 2D-materialen skapar helt nya möjligheter, säger han.

Hittills har åtminstone ett fyrtiotal 2D-material framställts i materiallabb runt om i världen. En exakt siffra är svår att få fram. Bara genom att byta ut en enda kolatom mot en annan i grafen har ett nytt material skapats.

Många av de nya 2D-material som presenteras är notoriskt instabila och faller isär kort efter att de framställts. Hittills har ingen till exempel lyckats tillverka atomtunna lager av kisel, så kallat silicene, som är stabila i rumstemperatur på samma sätt som grafen. Transistorer av silicene, som forskare vid University of Texas i Austin i USA blev först med att bygga för två år sedan, fungerar bara i vakuum.

Samma problem med stabiliteten gäller 2D-varianterna av andra grundämnen som germanium (germanen), bor (borofen), tenn (stanen) och fosfor (fosforen). En annan skillnad jämfört med grafen att de inte blir helt platta, utan buckliga – vilket påverkar deras egenskaper.

Även om utvecklingen går snabbt framåt kommer det att dröja innan 2D-materialen flyttar in i våra mobiler, datorer och annan elektronik.

I en artikel i tidskriften Science förra sommaren sammanfattade Konstantin Novoselov läget: ”Vi är på samma nivå som vi var med grafen för tio år sedan. Det finns massor av spännande vetenskap – och oklara möjligheter till massproduktion.”