Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Dennis Meier, Kasper A. Hunnestad og Constantinos Hatzoglou i laboratoriet.
Dennis Meier, Kasper A. Hunnestad og Constantinos Hatzoglou i laboratoriet.

Nå kan forskerne se hvordan enkeltatomer plasserer seg i materialer

3D-modeller på atomnivå kan lære oss mer om hvorfor elektroniske dingser fungerer.

Nanoteknologi og materialteknologi er vrient for de fleste av oss. Men forskningen innenfor disse områdene har stor betydning for både deg og meg. De elektroniske dingsene dine er for eksempel helt avhengig av den.

All mikroelektronikk er i dag avhengig av såkalte halvledere. Dette er materialer som i utgangspunktet ikke er særlig gode til å lede strøm. Men du kan tilsette dem andre stoffer, også kalt «doping», som gjør at halvlederne ikke blir så verst til det likevel.

– Tidligere har vi dopet halvledere og sett at dette drastisk har endret de elektriske egenskapene til materialet, sier forsker Kasper Aas Hunnestad ved Institutt for materialteknologi på NTNU.

Dette er så klart vel og bra. Det er jo hyggelig når noe fungerer. Men utover at det virker, har vi ikke alltid skjønt så mye av hvorfor. Dette gjelder spesielt på atom-nivå.

– Nå vet vi mer om hvordan vi kan måle de individuelle tilsatte atomene og hvorfor de virker. Disse atomene er svært vanskelig å finne, sier Hunnestad.

NTNU-Sintef teamet: Sverre M. Selbach, Muhammad Zeeshan Khalid, Antonius T. J. van Helvoort, Kasper A. Hunnestad, Constantinos Hatzoglou, Dennis Meier og Per Erik Vullum.
NTNU-Sintef teamet: Sverre M. Selbach, Muhammad Zeeshan Khalid, Antonius T. J. van Helvoort, Kasper A. Hunnestad, Constantinos Hatzoglou, Dennis Meier og Per Erik Vullum.

Derfor må vi vite hvorfor noe virker også

Hvorfor skal vi bry oss om enkeltatomer og hvorfor noe virker? Er det ikke like greit å bare registrere at det gjør det?

– Bare når du vet mer om hvordan noe virker, kan du også manipulere stoffet og optimalisere det, sier professor Dennis Meier ved Institutt for materialteknologi på NTNU, som ledet prosjektet.

Det kan gi muligheter for mer effektive, tilgjengelige eller billigere materialer for den jobben som skal gjøres. Det betyr at materialet med større sikkerhet kan bli gitt nye egenskaper. Dette er også viktig med tanke på utvikling av fremtidige materialer for bærekraftig teknologi.

– Ofte er vi interessert i å introdusere ny funksjonalitet i materialer, og da må vi vite nøyaktig hvordan dette kan gjøres, sier Meier.

Avansert teknologi gjør det mulig

I en artikkel i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Communications presenterer Hunnestad og kollegene hans resultatene av mange timer med tomografi, såkalt «atom probe tomography» eller APT.

En tomograf er en avansert maskin som gir en tredimensjonal fremstilling av hvordan et materiale ser ut, helt ned på atomnivå, forklarer Constantinos Hatzoglou, senioringeniør i APT-laboratoriet ved Institutt for materialteknologi på NTNU.

Hunnestad med flere har altså greid å lage en 3D-fremstilling av en ny type oksidbasert halvleder som er tilsatt svært små mengder av et stoff for å endre egenskapene dens. Et oksid er en kjemisk forbindelse mellom oksygen og et eller flere andre grunnstoffer, ofte metall.

– Hvordan tilsetningsstoffer plasserer seg i halvledere var ikke mulig å observere med gammel teknologi, sier Hunnestad.

– Vidunderlig prestasjon

Hunnestad og professor Meier er enige om det store potensialet APT har for forskingen deres. De mener APT-maskinen gjør banebrytende forskning mulig.

De er entusiastiske over alle de fascinerende mulighetene som allerede har dukket opp fra forskningsarbeidet for karakterisering av funksjonelle materialer på atomskala.

Hunnestad har jobbet med APT i omtrent tre år nå. Han har utført omfattende mikroskopimålinger, også støttet av professorene Antonius van Helvoort og Per Erik Vullum ved Institutt for fysikk på NTNU. Vellum er også forsker ved Sintef Industri. De er eksperter på høyoppløselig elektronmikroskopi.

Dopet halvleder med titan – observerte enkeltatomer

Forskergruppen undersøkte en bestemt oksidbasert halvleder. Erbiummanganat (ErMnO3) ble tilsatt ørsmå mengder av grunnstoffet titan (Ti) av forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory i USA.

– Med atomproben kan vi få en tredimensjonal fremstilling av hvordan titanatomene plasserer seg i halvlederen. Dermed kan vi koble de nye elektriske egenskapene til materialet helt ned til det som skjer med de individuelle atomene, forklarer Meier.

Eksperimentene er supplert med beregninger utført av Muhammad Zeeshan Khalid i teamet til professor Sverre Selbach ved Institutt for materialteknologi på NTNU. Dette gir ytterligere innsikt i hvilken innvirkning enkeltatomer kan ha på de fysiske egenskapene.

Metoden kan brukes på mange andre stoffer også. Den er ikke bare begrenset til stoffene som forskerteamet ved NTNU har sjekket ut.

– Fremgangsmåten og resultatene har altså bred interesse, siden det kan gi oss mer kunnskap om oksidbaserte halvledere og funksjonelle materialer generelt. Forskningen åpner helt nye dører, påpeker Meier.

Referanse:

Kasper Aas Hunnestad mfl.: Atomic-scale 3D imaging of individual dopant atoms in an oxide semiconductor. Nat Commun 13, 2022 Doi.org/10.1038/s4 1467-022-32189-0

Samarbeid og støtte

Forskingen ved Institutt for materialteknologi på NTNU er støttet av blant andre Forskningsrådet, Norwegian Micro- and Nano-Fabrication Facility, NorFab, Norwegian Laboratory for Mineral and Materials Characterization, MiMaC og Norwegian Center for Transmission Electron Microscopy, NORTEM, og NTNU Nano.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER

Powered by Labrador CMS