Kristallen van het materiaal hexagonaal boornitride kunnen geëtst worden zodat het patroon dat je bovenaan tekent verandert in een kleinere en vlijmscherpe versie onderaan. Deze perforaties kunnen worden gebruikt als schaduwmasker om componenten en circuits in grafeen te tekenen. Dit proces maakt een precisie mogelijk die zelfs met de beste lithografische technieken van vandaag onmogelijk is. Rechts zijn afbeeldingen van driehoekige en vierkante gaten gemaakt met een elektronenmicroscoop. Credits: Peter Bøggild, Lene Gammelgaard, Dorte Danielsen
Een nieuwe methode ontwerpt nanomaterialen met een nauwkeurigheid van minder dan 10 nanometer. Het zou de weg kunnen effenen voor snellere, energiezuinigere elektronica.
DTU- en Graphene Flagship-onderzoekers hebben de kunst van het modelleren van nanomaterialen naar een hoger niveau getild. Nauwkeurige patronen van 2D-materialen is een route naar berekening en opslag met behulp van 2D-materialen, die betere prestaties en een veel lager stroomverbruik kunnen leveren dan de huidige technologie.
Een van de belangrijkste recente ontdekkingen binnen de natuurkunde en materiaaltechnologie zijn tweedimensionale materialen zoals grafeen. Grafeen is sterker, gladder, lichter en beter in het geleiden van warmte en elektriciteit dan enig ander bekend materiaal.
Hun meest unieke kenmerk is misschien wel hun programmeerbaarheid. Door delicate patronen in deze materialen te creëren, kunnen we hun eigenschappen drastisch veranderen en mogelijk precies maken wat we nodig hebben.
Bij DTU hebben wetenschappers meer dan een decennium gewerkt aan het verbeteren van de stand van de techniek in het patroontekenen van 2D-materialen, met behulp van geavanceerde lithografiemachines in de 1500 m2 cleanroom faciliteit. Hun werk is gebaseerd in DTU’s Center for Nanostructured Graphene, ondersteund door de Deense National Research Foundation en een onderdeel van The Graphene Flagship.
Het elektronenstraallithografiesysteem in DTU Nanolab kan details schrijven tot 10 nanometer. Computerberekeningen kunnen precies de vorm en grootte van patronen in het grafeen voorspellen om nieuwe soorten elektronica te creëren. Ze kunnen de lading van het elektron en kwantumeigenschappen zoals spin- of dalvrijheidsgraden benutten, wat leidt tot snelle berekeningen met veel minder stroomverbruik. Deze berekeningen vragen echter om een hogere resolutie dan zelfs de beste lithografiesystemen kunnen leveren: atomaire resolutie.
“Als we echt de schatkist voor toekomstige kwantumelektronica willen ontsluiten, moeten we onder de 10 nanometer gaan en de atomaire schaal benaderen”, zegt Peter Bøggild, professor en groepsleider bij DTU Physics.
En dat is precies waar de onderzoekers in zijn geslaagd.
“We hebben in 2019 laten zien dat cirkelvormige gaten die met een tussenruimte van slechts 12 nanometer zijn geplaatst, het halfmetalen grafeen in een halfgeleider veranderen. Nu weten we hoe we cirkelvormige gaten en andere vormen zoals driehoeken kunnen maken, met nanometerscherpe hoeken. Dergelijke patronen kunnen elektronen sorteren op basis van hun spin en creëren essentiële componenten voor spintronica of valleytronics. De techniek werkt ook op andere 2D-materialen. Met deze superkleine structuren kunnen we zeer compacte en elektrisch afstembare metalenses maken die kunnen worden gebruikt in hogesnelheidscommunicatie en biotechnologie, “legt Peter Bøggild uit.
Haarscherpe driehoek
Het onderzoek werd geleid door postdoc Lene Gammelgaard, afgestudeerd ingenieur aan de DTU in 2013 en heeft sindsdien een cruciale rol gespeeld in de experimentele verkenning van 2D-materialen bij DTU:
“De truc is om het hexagonale boornitride van het nanomateriaal op het materiaal dat je wilt patroon te plaatsen. Dan boor je gaten met een bepaald etsrecept”, zegt Lene Gammelgaard, en vervolgt:
“Het etsproces dat we de afgelopen jaren hebben ontwikkeld, verkleint patronen onder de anders onbreekbare grens van onze elektronenbundellithografiesystemen van ongeveer 10 nanometer. Stel dat we een cirkelvormig gat maken met een diameter van 20 nanometer, dan kan het gat in het grafeen worden verkleind tot 10 nanometer. Terwijl als we een driehoekig gat maken, met de ronde gaten afkomstig van het lithografiesysteem, de verkleining een kleinere driehoek zal maken met zelfgeslepen hoeken. Meestal worden patronen imperfecter als je ze kleiner maakt. Dit is het tegenovergestelde, en dit stelt ons in staat om de structuren te recreëren waarvan de theoretische voorspellingen ons vertellen dat ze optimaal zijn.”
Men kan bijvoorbeeld platte elektronische meta-lenzen produceren – een soort supercompacte optische lens die elektrisch kan worden aangestuurd bij zeer hoge frequenties, en die volgens Lene Gammelgaard essentiële componenten kan worden voor de communicatietechnologie en biotechnologie van de toekomst.
Grenzen verleggen
De andere sleutelpersoon is een jonge student, Dorte Danielsen. Ze raakte geïnteresseerd in nanofysica na een stage in de 9e klas in 2012, won een plek in de finale van een nationale wetenschapswedstrijd voor middelbare scholieren in 2014 en studeerde natuurkunde en nanotechnologie in het DTU-honoursprogramma voor elitestudenten.
Ze legt uit dat het mechanisme achter de “superresolutie” -structuren nog steeds niet goed wordt begrepen:
“We hebben verschillende mogelijke verklaringen voor dit onverwachte etsgedrag, maar er is nog veel dat we niet begrijpen. Toch is het voor ons een opwindende en zeer bruikbare techniek. Tegelijkertijd is het goed nieuws voor de duizenden onderzoekers over de hele wereld de grenzen verleggen voor 2D-nano-elektronica en nanofotonica.”
Met de steun van het Independent Research Fund Denmark zal Dorte Danielsen binnen het METATUNE-project haar werk aan extreem scherpe nanostructuren voortzetten. Hier zal de technologie die ze heeft helpen ontwikkelen, worden gebruikt om optische metalenses te maken en te verkennen die elektrisch kunnen worden afgestemd.
Geleverd door de Technische Universiteit van Denemarken
