Materialevidenskab
2D-materialer, som grafen, åbner nye grænser inden for materialvidenskab
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
En utilsigtet opdagelse
De fleste fysiske genstande er lavet af 3D-materialer. Solide materialer er ofte sammensat af enten organiserede atomer i forudbestemte 3D‑strukturer, der danner metaller og krystaller, eller uorganiserede atomer, der danner andre ting.
Det var længe et vigtigt spørgsmål, om atomtynde, stabile lag kunne fremstilles og undersøges. I 2004 lykkedes det forskerne Andre Geim og Konstantin Novoselov ved University of Manchester at isolere og undersøge grafen ved at trække tynde lag af grafit af med almindelig tape. Grafit er blandt andet det materiale, der findes i blyantstifter.
Dette ville senere give dem Nobelprisen i fysik i 2010.
Grafen består af ét lag kulstofatomer i et sekskantet gitter. Grafit er også krystallinsk, men består af mange sådanne lag oven på hinanden; diamant har en anden tredimensionel struktur. Nanotråde og kvanteprikker er eksempler på strukturer, der ofte beskrives som henholdsvis en- og nuldimensionelle.
Kilde: Ossila
Det, der gør 2D-materialer specielle, er, at denne unikke konfiguration medfører unikke fysiske egenskaber.
Grafen har høj elektrisk ledningsevne og varmeledningsevne samt meget stor trækstyrke. Elektronernes karakteristiske Fermi-hastighed er omkring en million meter i sekundet, omtrent 1/300 af lysets hastighed. Et enkelt lag absorberer kun cirka 2,3 procent af synligt lys.
Kilde: Visual Capitalist
Meget mere end grafen
Grafens unikke egenskaber gjorde den straks til fokus for tusindvis af forskere, der var ivrige efter at afdække dens særlige elektriske, kemiske og fysiske egenskaber.
Men andre begyndte at spekulere på, om andre grundstoffer end kulstof også kunne danne 2D-materialer. Svaret var ja, med teoretiske forudsigelser, der lover hundredvis af potentielle 2D-materialer. Blandt de vigtigste og mest undersøgte 2D-materialer udover grafen kan vi nævne nogle få:
- Borophene, lavet af boratomer, opdaget først i 2015.
- Goldene, lavet af guld‑atomer, produceret første gang i 2024.
- Silicene, lavet af siliciumatomer.
- Phosphorene, lavet af fosforatomer.
2D-materialer kan også bestå af flere grundstoffer, eksempelvis molybdendisulfid (MoS₂). Stoffet Si₃N₄ hedder siliciumnitrid, ikke siliciumnitrat; forskellige forbindelser kan have forskellige lagstrukturer og tykkelser.
Andre atomer kan også bindes til monolaget og skabe en “ru” overflade, som når man tilsætter hydrogen til kulstofatomerne i grafen for at danne graphane.
Af Edgar181 (talk) – Eget arbejde, Offentligt domæne, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
På grund af denne ekstreme materialemangfoldighed er forskerne kun begyndt at afdække potentialet i 2D-materialer.
Anvendelser – Grundlæggende aspekter
Generelt er det, der gør 2D-materialer unikke, deres meget organiserede atomstruktur, som muliggør en særpræget konfiguration af deres elektroner og den tætte binding mellem atomerne.
Egenskaberne afhænger af materialet: nogle har høj elektrisk eller termisk ledningsevne, mens andre er halvledere eller isolatorer. Kovalente bindinger indebærer deling af elektroner mellem atomer, ikke blot udveksling af dem.
Den store overflade i forhold til materialets masse gør mange 2D-materialer interessante til katalyse og andre kemiske eller elektriske processer. Egenskaberne er dog ikke ens for alle materialer.
Superledere
Visse 2D-systemer kan blive superledende under særlige betingelser. Høj elektrisk ledningsevne alene er ikke tilstrækkelig til at skabe superledning.
Superledning er, hvad der sker, når et materiale kan lede elektricitet uden nogen modstand.
En vedvarende strøm i en ideel superleder giver intet resistivt energitab eller Joule-opvarmning. Det kan være nyttigt til blandt andet magneter og strømtransport, men køling og vekselstrømsdrift kan stadig medføre energiforbrug eller tab.
Superledere bruges blandt andet til kraftige magneter, som er relevante for fusionsforsøg og magnetisk svævende tog. Praktisk superledning ved rumtemperatur kunne udvide mulighederne, men ville ikke i sig selv løse alle de tekniske problemer ved fusion, elektrisk skibsfremdrift eller elektromagnetiske opsendelsessystemer (Vi udforskede i detaljer spørgsmålet om rumtemperatur‑superledere i vores dedikerede artikel).
Mange todimensionelle materialer kan udvise superledning under de rette forhold, for eksempel med hensyn til temperatur og tryk. Det gælder blandt andet:
- Ultratynde film af grundstofmetaller.
- Cuprater.
- Perovskit‑oxider.
- Tungfermionforbindelser med sjældne jordarter.
- Grafen.
- Jern‑selenid på oxidoverflader.
- Organiske ledere på metaloverflader.
Halvledere
I en halvleder kan koncentrationen og bevægelsen af ladningsbærere styres, eksempelvis ved doping eller et elektrisk felt. Transistorer udnytter dette til at regulere strøm. Digitale nuller og ettaller repræsenteres normalt ved signalniveauer, ikke blot ved fravær eller tilstedeværelse af strøm.
Jo hurtigere en halvleder kan skifte tilstand, desto hurtigere kan den tilknyttede beregning være.
Grafen
I starten troede forskere, der studerede grafen, at den kunne erstatte silicium i halvledere. Desværre mangler den en vigtig elektronisk egenskab kaldet et “båndgab”.
Båndgabet er energiforskellen mellem valensbåndet og ledningsbåndet. Dets størrelse og båndenes fyldning er afgørende for materialets elektriske egenskaber.
Kilde: Energy Education
Almindeligt, fritstående enkeltlagsgrafen har ikke et båndgab, hvilket gør det svært at bruge til transistorer med et højt forhold mellem tændt og slukket strøm.
Forskningen søger dog måder at ændre dette på. Et eksempel kom i 2024, hvor forskere annoncerede, at de havde formået at skabe verdens første halvleder lavet af grafen.
“Vi har nu en ekstremt robust grafen‑halvleder med ti gange mobiliteten af silicium, og som også har unikke egenskaber, som ikke findes i silicium.
“Vi måtte lære, hvordan man behandler materialet, hvordan man gør det bedre og bedre, og endelig, hvordan man måler egenskaberne. Det tog meget, meget lang tid.”
Goldene
Goldene er et enkelt atomlag af guld. Det er en analogi til grafen med hensyn til tykkelsen, men dets atomstruktur og egenskaber er ikke blot grafens med kulstof udskiftet med guld.
Guld er allerede almindeligt brugt i chips og computerkomponenter takket være sine ekstraordinære egenskaber, såsom modstand mod oxidation og meget høj elektrisk ledningsevne.
Med produktionen i 2024 af det første goldene‑monolag kan halvlederegenskaber blive tilføjet til listen.
“Hvis du gør et materiale ekstremt tyndt, sker der noget ekstraordinært – som med grafen. Det samme sker med guld. Som du ved, er guld normalt et metal, men hvis et lag kun er et enkelt atom tykt, kan guld i stedet blive en halvleder.”
Organiske halvledere
Organiske molekyler er bygget på et skelet af kulstof, sammen med andre grundstoffer, typisk oxygen, nitrogen, svovl osv.
Kilde: POSTECH
De brugte derefter et trin kaldet p‑type doping, som almindeligt anvendes i produktionen af halvledere.
Ved p-doping øges antallet af positive ladningsbærere, såkaldte huller. Det kan ske med acceptorstoffer eller kemisk ladningsoverførsel og ændrer materialets ledningsevne.
Kilde: Wikipedia by VectorVoyager
Det resulterende materiale er blevet beskrevet af forskerne som at have “enestående elektrisk ledningsevne”.
Organiske 2D-halvledere giver dermed en alternativ forskningsvej. Om de kan fremstilles billigt og bruges i praktiske komponenter, kræver fortsat udvikling.
Supermaterialer
Mens de elektriske egenskaber er kernen i forskernes interesse for 2D-materialer, er deres fysiske egenskaber lige så imponerende.
Grafen har meget høj trækstyrke og kan tilsættes beton for at ændre dens egenskaber. I visse forsøg har forskere rapporteret forbedringer i betonens styrke og modstand mod vandgennemtrængning. Resultaterne afhænger af blandingen, materialets kvalitet og doseringen. Grafen ruster ikke som stål, men tilsætning af grafen gør ikke automatisk armeret beton immun over for korrosion eller andre former for nedbrydning.
Grafens høje styrke i forhold til vægten gør det og andre 2D-materialer interessante til forskning i bedre beskyttelsesudstyr.
Et andet anvendelsesområde kan være varmehåndtering. For eksempel har forskere for nylig fundet, at man kan fremstille et materiale, der både er isolerende og stift ved at fremstille hybride organisk-uorganiske 2D-perovskitter.
2D-materialer som grafen og hexagonalt bornitrid kan også bruges til varmeafledning i elektroniske og optoelektroniske enheder.
Endelig kunne avancerede ultra‑modstandsdygtige 2D-materialer bruges til at realisere futuristisk infrastruktur, som for eksempel rum‑elevatorer. Sådanne skridt vil dog kun blive realistiske, når vi har fundet ud af, hvordan man økonomisk producerer disse materialer ikke i gram eller kilo, men i millioner af tons.
Biotek
En stor specifik overflade, meget små lagtykkelser og særlige kemiske egenskaber gør 2D-materialer interessante til nicheanvendelser inden for medicin og bioteknologi.
Dette omfatter lægemiddellevering, billeddannelse, vævsteknologi, biosensorer og gassensorer.
En anden faktor i fremkomsten af 2D-materialer i biologiske anvendelser er de nylige opdagelser, der gør det muligt at give dem en egenskab kaldet kiralitet.
Kiralitet betyder, at en struktur ikke kan bringes til at falde sammen med sit spejlbillede. Det kaldes også håndethed og er vigtigt for mange organiske molekyler, blandt andet aminosyrer.
Kilde: UC Santa Barbara
Kiralitet kan give to spejlbilledformer, der ikke kan bringes til at dække hinanden, ligesom en venstre og en højre handske. Det kan påvirke deres vekselvirkning med biologiske systemer.
Professor Dipanjan Pan
For nylig syntetiserede forskere borofen-nanoplader for at undersøge, hvordan sådanne fragmenter kunne opføre sig ved kontakt med biologiske systemer. De opdagede, at de kirale egenskaber af de forskellige versioner af borofen interagerede forskelligt med cellernes membraner og trængte ind i cellerne på forskellige måder.
Dette åbner vejen for at designe skræddersyede borofen‑strukturer til anvendelser som “udvikling af højere‑opløsnings‑medicinsk billeddannelse med kontrast, der præcist kan spore celleinteraktioner eller bedre lægemiddellevering med præcise materiale‑celle‑interaktioner.”
En bedre forståelse af, hvordan borofen‑strukturen interagerer med levende celler, vil også hjælpe med at afklare dens sikkerhedsprofil.
Mens borofenens sundhedsprofil stadig evalueres, viste et lille kontrolleret studie ingen tydelige akutte skadelige virkninger efter kortvarig indånding af en bestemt type stærkt renset grafenoxid hos raske frivillige. Forsøget omfattede 14 personer og en to timers eksponering. Det fastslår ikke, at alle grafenmaterialer eller langvarig eksponering er sikre, og kan ikke bruges til at udelukke folkesundhedsrisici generelt.
Og jo mere biokompatible de er, desto mere sandsynligt er det, at de kan bruges til at udvikle biologiske sensorer eller drive nanorobotter i vores blodbaner.
Begrænsninger
Fremstilling i stor skala
Selv grafen, som er det mest etablerede 2D-materiale, har fortsat udfordringer med industriel fremstilling i ensartet kvalitet, selv om der allerede findes kommercielle produkter.
Dette skyldes, at produktion i stor skala stadig er en vanskelig opgave. At fremstille små mængder er forholdsvis let, men at producere massive mængder på en semi‑automatiseret måde er ikke.
Scotch‑tape på et stykke grafit var nok til at opdage grafen. Men meget mere komplekse metoder som Chemical Vapor Deposition (CVD) er nødvendige for masseproduktion.
Dette bliver langsomt mere en realitet, med for eksempel publiceringen af en proces for ilt‑fri CVD, der producerer grafen med høj renhed.
Limning
Et andet problem med 2D-materialer er, at de på grund af deres ekstremt tynde og kemisk unikke natur kan være svære at lime på andre materialer.
Det kræver ofte specialiserede teknikker for at få et lag grafen til at hæfte på computerchips, en strømforsyning eller en medicinsk enhed.
Dette kan være meget mere tidskrævende og ressourcekrævende end mindre effektive, men lettere at implementere alternativer.
Omkostninger
Mange fremstillingsmetoder og specialanvendelser er stadig dyre. Prisen afhænger blandt andet af form, renhed, lagantal og produktionsmængde.
Den faktiske pris kan variere meget afhængigt af renhed, med for eksempel forskellige grafenprodukters meget forskellige priser.
En direkte prissammenligning med stål er derfor vanskelig. Det afgørende er også, hvor meget materiale der skal bruges, og hvilke egenskaber anvendelsen kræver.
2D-materialevirksomheder
Feltet for 2D-materialer udvikler sig meget hurtigt, med nye muligheder som goldene, der regelmæssigt opdages, og nye indsigter i, hvordan man optimerer “gamle” materialer som at omdanne grafen til en halvleder.
Disse produkter vil sandsynligvis kun blive en stor økonomisk sektor, når de produceres i stor skala ved brug af industrielle metoder.
Indtil videre er den mest avancerede og veldokumenterede metode CVD, hvilket giver en betydelig fordel til CVD‑specialister i at indfange en stor del af værdien i 2D-materialeproduktion.
1. Veeco
VECO Prisdiagram
Veeco har været en stor leverandør af udstyr til halvlederproduktionsindustrien siden grundlæggelsen i 1945. Dets maskiner bruges til fremstilling af avanceret EUV‑chipproduktion, 5G‑antenner, harddiske, LIDAR, LED‑lys, strøm‑elektronik til el‑biler osv.
Kilde: Veeco
Veeco leverer blandt andet MOCVD-udstyr, der anvendes til fremstilling af sammensatte halvledere. MOCVD står for metalorganisk kemisk dampaflejring. Det gør ikke virksomheden til en dokumenteret producent af alle typer 2D-materialer.
Kilde: Veeco
Som leder inden for dette niche‑segment af halvlederindustrien kunne Veeco være en god kandidat til at satse på stigningen i flere CVD‑applikationer.
En sådan vækst kan stamme fra den stigende brug af grafen, wolfram og borofen, efterhånden som vi gradvist bliver bedre til at manipulere stof på atomart niveau.
Den vil sandsynligvis også drage fordel af de massive tendenser inden for digitalisering, AI og elektrificering, uanset om den i stor grad bruger 2D-materialer snart eller ej.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG er en grafenproducent, der har fokuseret sit produktsortiment på allerede demonstrerede grafen‑baserede produkter som varmebelægning og smøremidler.
GMG giver investorer eksponering mod udvikling og kommercialisering af grafenprodukter. Produktionens skala, økonomi og selskabets fremtidige succes skal vurderes særskilt.
Kilde: GMG
Nogle yderligere anvendelser kunne være fremstilling af grafen‑halvledere (se “Grafen‑halvledere – Er de endelig her?”), eller endda rumtemperatur‑superledere. Grafen‑belægning kunne også finde anvendelse i batterier og til brint‑trykbeholder‑teknologier.
Kilde: GMG
GMG fremstiller grafen ved nedbrydning af metan og producerer samtidig brint. Metoden adskiller sig fra udvinding af grafen fra grafit. Selskabet fremhæver mulige fordele ved renhed, skalering og omkostninger, men disse afhænger af processen og produktet.
Virksomheden lancerede sin første produktionsfacilitet i Australien i 2023 med op til 1 million liter varmeveksler‑belægningsproduktion om året.
GMG udviklede også grafen-aluminium-ion-batterier. De omtalte høje energitætheder, hurtige opladningstider og lange levetider skal læses som forsøgsresultater eller udviklingsmål med bestemte testbetingelser, ikke som en samlet, dokumenteret specifikation for et færdigt kommercielt batteri.
Kilde: GMG
Dette indtog i batterimarkedet kan være en stor satsning for GMG, men giver også virksomheden et unikt perspektiv på det fremtidige marked, som kan åbne for grafen, herunder i el‑biler og andre strømrelaterede anvendelser.
