Fra grafen til goldene: Atomtynne materialer åpner for nye oppdagelser

Gull er kjent som verdilager og smykkemetall, men har også interessante materialegenskaper. I 2024 rapporterte forskere fremstilling av svært tynne gullflak kalt goldene. Resultatet åpner for nye undersøkelser, selv om praktiske bruksområder fortsatt må utvikles.

Goldene: gullflak med ett atomlag

I 2024 rapporterte forskere ved Linköpings universitet i Sverige fremstilling av gullflak som er ett atomlag tykke. De kalte materialet goldene. Mulige bruksområder omfatter katalyse for CO2-omdanning, hydrogenproduksjon og kjemikaliefremstilling; dette er muligheter, ikke ferdige produkter.

Shun Kashiwaya ved universitetets avdeling for materialdesign forklarte at svært tynne materialer kan få andre egenskaper enn bulkmaterialet:

Grafen er et kjent eksempel. Forskerne beskrev også muligheten for endrede elektroniske egenskaper i gull med ett atomlag, men det betyr ikke at et ferdig, anvendelig halvlederprodukt allerede er demonstrert.

Hvordan ble goldene fremstilt?

Utgangspunktet var et tredimensjonalt materiale med gull mellom lag av titan og karbon. Ved høy temperatur erstattet gull silisium i titansilisiumkarbid, slik at titangullkarbid ble dannet. Dette kom først som en overraskelse: hensikten hadde vært å legge gull på det ledende materialet for å lage elektrisk kontakt.

For å frigjøre gullaget brukte forskerne Murakamis reagens, en etseblanding med røtter i japansk metallhåndverk. De prøvde ulike konsentrasjoner og behandlingstider for å finne betingelser som frigjorde gullflakene.

Etter etsingen måtte flakene stabiliseres. Et overflateaktivt stoff med lange molekyler bidro til å holde dem atskilt og hindre at de krøllet seg sammen.

Kashiwaya beskrev hvordan resultatet ble undersøkt:

Gullflakene lå i en løsning, omtrent som maisflak i melk. De kunne samles opp og undersøkes med elektronmikroskop for å bekrefte at fremstillingen hadde lyktes.

Mulige bruksområder for goldene

Forskerne nevner blant annet katalyse, CO2-omdanning, hydrogenproduksjon, vannrensing og kommunikasjon som mulige forskningsområder. Materialets egnethet må undersøkes for hver anvendelse.

Videre arbeid kan undersøke om mindre gull er nødvendig i slike prosesser, og om tilsvarende metoder kan brukes med andre edelmetaller. Nye materialer kan få andre egenskaper og bruksområder.

Goldene er et nytt bidrag til et bredere forskningsfelt. Interessen for svært tynne materialer og enkeltlag har eksistert lenge.

Tynne materialer: grafen og flere

Et sentralt eksempel er grafen, som er interessant på grunn av sine særegne egenskaper. Det består av ett lag karbonatomer i et sekskantet nettverk og kan fremstilles fra grafitt. Ideelt grafen har høy strekkfasthet, leder varme og strøm godt og absorberer noe lys. Sammenligninger med stål eller aluminium må angi hvilken egenskap og prøve som måles; et atomtynt flak kan ikke uten videre sammenlignes med et vanlig konstruksjonsmateriale.

I 2024 rapporterte forskere ved Georgia Tech og samarbeidspartnere et halvledende grafenbasert materiale. Resultatet gjaldt epitaksialt grafen på silisiumkarbid og kan være relevant for elektronikk. Det betyr ikke at vanlig, frittstående grafen automatisk har fått et båndgap.

Andre atomtynne eller todimensjonale materialer har også fått stor interesse.

«Todimensjonale materialer» og «ikke-lagdelte materialer» er ikke synonymer. Grafen og flere andre 2D-materialer kommer fra lagdelte krystaller. Ikke-lagdelte materialer har en annen bindingsstruktur og kan få reaktive overflater når de fremstilles svært tynt.

Et enkeltlag av svart fosfor kalles fosforen. Silisen og germanen er beslektede, atomtynne strukturer basert på henholdsvis silisium og germanium. Silisen må ikke forveksles med silikon.

Lagtykkelse, kanter, krystallstruktur og elektronisk båndstruktur påvirker egenskapene. Mekanisk tøyning eller elektriske felt kan i enkelte systemer brukes til å justere dem.

Andre grupper som undersøkes i svært tynn form, omfatter metallkalkogenider, metalloksider, III–V-halvledere og organisk–uorganiske perovskitter. Ikke alle har en stabil struktur som bare er ett atom tykt.

Her er noen konkrete eksempler på disse materialgruppene.Molybdendisulfid (MoS2), wolframdisulfid (WS2) og wolframdiselenid (WSe2) er metallkalkogenider. Et enkeltlag av slike forbindelser består av flere atomplan. Indiumoksid (In2O3), tinnoksid (SnO2) og sinkoksid (ZnO) er eksempler på metalloksider.

III–V-halvledere kombinerer grunnstoffer fra gruppe 13 og 15, tidligere kalt gruppe III og V. Galliumarsenid og indiumfosfid er eksempler; indiumfosfid må ikke forveksles med indiumfosfat.

Eksempler på organisk–uorganiske perovskitter er metylammoniumblyjodid (MAPbI3) og formamidiniumblyjodid (FAPbI3). Navnet beskriver en materialfamilie, ikke automatisk et monolag.

Det forskes på mange bruksområder, og selskaper utvikler produkter med enkelte av disse materialene. Eksemplene nedenfor dokumenterer likevel ikke at alle anvender goldene eller enkeltatomlag.

#1. Haydale Graphene Industries

Grafens overflatekjemi kan gjøre det vanskelig å dispergere materialet og få god binding til en polymermatrise. Haydale Graphene Industries har utviklet en pulverbasert plasmafunksjonalisering for å tilpasse overflatene.

Prosessen kalles HDPlas og skal gjøre grafen og andre nanomaterialer lettere å bruke i produkter. Forbedringer i mekaniske, elektriske eller termiske egenskaper avhenger av materialet, doseringen og sluttproduktet; de følger ikke automatisk av behandlingen.

Haydale utvikler blant annet grafenbasert blekk for elektronikk, varmeelementer og andre anvendelser. Selskapet arbeider også med funksjonalisert heksagonalt bornitrid, ofte kalt «hvitt grafen». Det kan lede varme samtidig som det isolerer elektrisk; det er feil å beskrive det generelt som en elektrisk leder.

Funksjonaliserte tilsetningsstoffer kan brukes i elastomerer, for eksempel dekk, skosåler, pakninger og tetninger. Haydale har også virksomhet innen silisiumkarbid. Silisiumkarbid og grafen er forskjellige materialer og bør ikke omtales som ett og samme produkt.

Andre satsinger omfatter kompositter, termoplaster og skjæreverktøy. Hvert produkt må vurderes etter dokumentert sammensetning og ytelse.

Haydale (AIM: HAYD) rapporterte delårsresultater for de seks månedene som endte 31. desember 2023. Den rapporterte inntekten på 2,47 millioner pund var rundt 38 % høyere enn 1,78 millioner pund i sammenligningsperioden. Dette var et halvår, ikke hele regnskapsåret 2023.

#2. Siemens

Et annet bruksområde for grafenbaserte folier er undersøkt i syklotroner. En forskergruppe testet slike folier som stripperfolier i en Siemens Eclipse-syklotron på 11 MeV. Folien fjerner elektroner fra ionene som del av stråleuttrekket.

Forsøket rapporterte en levetid på 16 000 µA·timer og en transmisjonsfaktor over 90 %. Her beskriver µA·timer akkumulert strålebelastning, ikke bare antall driftstimer. Studien undersøkte grafenbaserte folier, ikke én frittstående atomrad som komplett industrifolie.

Resultatene viste at slike folier kunne konkurrere med andre karbonfolier i denne anvendelsen. Det dokumenterer ikke at alle vanlige folier kan erstattes under alle driftsforhold.

Siemens produserer avansert industri- og medisinteknologi. At et forsøk bruker en Siemens-syklotron, betyr ikke i seg selv at Siemens har innført materialet som standard i alle produkter.

For regnskapsåret 2023 rapporterte Siemens-konsernet en omsetning på 77,8 milliarder euro, mot 72,0 milliarder euro i 2022. Tallene 19,66 og 17,39 milliarder euro beskriver ikke konsernets årlige omsetning.

Videre forskning på atomtynne materialer

Forskning viser at fosforen kan ha interessante egenskaper for sensorer. Den foldede gitterstrukturen og retningsavhengige egenskapene påvirker responsen. Materialet undersøkes blant annet for gass- og fuktmåling, lysdeteksjon, biosensorer og ionedeteksjon. Dette er ikke en garanti for at alle anvendelsene er kommersielt modne.

Fosforen undersøkes også innen elektronikk og optoelektronikk.Vitenskapelige publikasjoner beskriver retningsavhengige elektriske, optiske, termoelektriske og mekaniske egenskaper som skiller seg fra grafen og overgangsmetalldikalkogenider. Fremstilling, stabilitet i luft og integrasjon er fortsatt viktige utfordringer.

En annen studie undersøkte kombinasjonen av grafen og fosforen i anoder for natriumionbatterier. Natriumionteknologi kan være et alternativ til litiumionbatterier i enkelte anvendelser, men elektrodevalg, levetid og energitetthet må vurderes samlet.

I forsøket fra 2015 ga noen fosforenlag mellom grafenlag en spesifikk kapasitet på 2 440 mAh/g, beregnet bare ut fra fosformassen, ved 0,05 A/g. Kapasiteten etter 100 sykluser var 83 % av utgangspunktet i spenningsområdet 0–1,5 V. Dette er elektrodemålinger, ikke energitettheten til en komplett batteripakke.

Forskerne brukte transmisjonselektronmikroskopi under reaksjonen og røntgendiffraksjon etterpå. De beskrev opptak av natrium mellom fosforenlagene og deretter dannelse av Na3P som deler av lagringsmekanismen.

Også germanen har vakt vitenskapelig interesse. Beregninger viser muligheter for lysabsorpsjon og retningsavhengige optiske egenskaper, men de avhenger av struktur og betingelser.

Germanen har en lavbuklet, grafenlignende struktur. Enkelte idealiserte modeller gir lineær dispersjon nær K-punktet; spinn–bane-kobling og elektriske felt kan påvirke båndgapet. Det er derfor for enkelt å beskrive det som en universell halvleder med nøyaktig null båndgap.

Goldene, grafen, fosforen, germanen og andre svært tynne materialer åpner dermed for flere forskningsretninger. Veien fra interessante materialegenskaper til et robust produkt kan likevel være lang.

Egenskapene må undersøkes i de konkrete systemene der materialene skal brukes. Reaktive overflater kan være nyttige i katalyse, blant annet for reduksjon av CO2 og reaksjoner som spalter vann. CO2-omdanning til mer reduserte produkter er ikke oksidasjon av CO2.

Ulike 2D-materialer undersøkes for batterier, brenselceller, solceller, lysdioder, lasere og sensorer. Noen særskilte materialer kan også ha topologiske egenskaper. Disse egenskapene gjelder ikke automatisk alle atomtynne materialer.

Feltet har mange muligheter, men utbredt bruk av hvert enkelt materiale er ikke sikkert. Stabilitet, skalerbar fremstilling, kostnad og dokumentert nytte blir avgjørende.

Klikk for en oversikt over fem selskaper som utvikler nanoteknologi.