2D‑material, som grafen, öppnar nya fronter inom materialvetenskapen

En slumpmässig upptäckt

Fasta material kan vara kristallina, med ordnade atomstrukturer, eller amorfa. Tvådimensionella material är mycket tunna skikt, ofta bara ett eller några atomlager.

År 2004 isolerade Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester grafen genom mekanisk exfoliering av grafit. Tejpmetoden blev ett viktigt steg i forskningen om atomtunna material; lågdimensionella strukturer var inte helt okända före detta.

Detta skulle senare ge dem Nobelpriset i fysik 2010.

Grafen består av kolatomer i ett sammanhängande, hexagonalt skikt. Grafit är också kristallint och består av staplade sådana skikt; det är inte en oordnad form av kol. Nanorör och kvantprickar är andra lågdimensionella strukturer med egna forskningshistorier.

Källa: Ossila

Den tunna strukturen kan ge andra elektroniska, mekaniska och kemiska egenskaper än i motsvarande bulkmaterial.

Grafen kan ha hög elektrisk och termisk ledningsförmåga. Dess karakteristiska Fermihastighet är ungefär en trehundradel av ljushastigheten; detta är inte samma sak som elektronernas drifthastighet i en ledning. Ett rent enkellager absorberar omkring 2,3% av synligt ljus och kan ha mycket hög draghållfasthet.

Källa: Visual Capitalist

Mycket mer än grafen

Upptäckten väckte stort intresse för grafens egenskaper och möjliga tillämpningar.

Även andra grundämnen och föreningar kan bilda tunna skikt. Några exempel är:

• Borofen, atomtunna borskikt som framställdes experimentellt 2015.
• Goldene, fristående atomtunna guldskikt som rapporterades 2024.
• Silicen, baserat på kiselatomer.
• Fosforen, tunna skikt av fosfor.

Materialen kan också vara föreningar, exempelvis molybdendisulfid (MoS₂). Kiselnitrid, Si₃N₄, är en annan förening som kan framställas som mycket tunna filmer; nitrit är en annan kemisk beteckning.

Ytmodifiering förändrar också egenskaperna. När väte binds till grafen bildas grafan.

Av Edgar181 – eget verk, fri från upphovsrätt, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

Mångfalden av strukturer och ytor ger många forskningsmöjligheter, men egenskaperna måste undersökas för varje material.

Tillämpningar – Grundläggande aspekter

Atomstruktur, bindningar, skikttjocklek och underlag påverkar materialens egenskaper. Alla 2D-material beter sig inte som grafen.

Vissa leder el och värme väl, andra är halvledare eller isolatorer. Kovalenta bindningar bygger på att atomer delar elektroner, inte enbart på elektronöverföring.

Tunna skikt kan ha stor åtkomlig yta i förhållande till massan, vilket kan vara användbart i katalys och sensorer. Det innebär inte att alla har högst specifik yta av alla material.

Supraledare

Supraledning har observerats i vissa tunna material under särskilda förhållanden. Hög ledningsförmåga i sig bevisar inte supraledning.

En supraledare kan leda likström utan elektrisk resistans under sina kritiska gränser för bland annat temperatur, ström och magnetfält.

Det kan minska resistiva förluster, men kylning, växelströmsförluster och annan utrustning kan fortfarande kräva energi. Ett helt system är därför inte automatiskt förlustfritt eller utan värmeutveckling.

Supraledare används redan i kraftiga magneter. Praktiska material som fungerar vid rumstemperatur och normalt tryck skulle kunna öppna fler tillämpningar, men var inte etablerade 2024. Mer om forskningen finns i vår artikel om supraledare.

Flera materialklasser kan uppvisa supraledning under lämpliga förhållanden. Exempel är:

• Ultratunna metallfilmer.
• Kuprater.
• Perovskitoxider.
• Tunga fermionsystem med sällsynta jordartsmetaller.
• Vissa modifierade eller vridna grafensystem vid låg temperatur.
• Järnselenid på oxidytor.
• Organiska ledare på metallytor.

Halvledare

Halvledares elektriska ledningsförmåga kan styras genom bland annat dopning och elektriska fält. Transistorer i kisel används för att representera logiska nivåer.

Snabb omkoppling kan bidra till snabbare kretsar, men energiförbrukning, förbindelser och arkitektur påverkar också prestandan.

Grafen

Rent enkellagers grafen saknar ett konventionellt bandgap, vilket försvårar transistorer med ett tydligt avstängt tillstånd.

Bandgapet är energiskillnaden mellan valensband och ledningsband. Storleken och andra egenskaper påverkar om ett material fungerar som halvledare eller isolator.

Källa: Energy Education

Grafen kan användas elektroniskt även utan bandgap. För digital logik är ett lågt läckage och god avstängning däremot viktiga krav.

År 2024 rapporterades halvledande epitaxiellt grafen på kiselkarbid. Resultatet gällde en särskild materialstruktur, inte att allt grafen plötsligt blivit en halvledare.

Forskarna rapporterade hög laddningsbärarrörlighet i sin struktur och framhöll att den hade egenskaper som skilde sig från kisel.

De beskrev också långvarigt arbete med framställning, förbättring och mätning. Det återstår steg från materialresultat till industriella kretsar.

Goldene

Goldene är ett atomtunt guldmaterial. Att det är tvådimensionellt betyder inte att dess atomstruktur och egenskaper är identiska med grafens.

Guld används redan ofta i chip och datorkomponenter tack vare sina extraordinära egenskaper, såsom motstånd mot oxidation och mycket hög elektrisk ledningsförmåga.

Framställningen av goldene 2024 öppnade för att undersöka dess elektroniska egenskaper. En färdig kommersiell halvledarteknik hade inte därmed demonstrerats.

Forskarna förklarade att extrema skikttjocklekar kan ändra ett materials egenskaper och att atomtunt guld kan uppvisa halvledarliknande beteende. Detta är inte en garanti för alla guldskikt eller användningar.

Organiska halvledare

Organiska halvledare bygger på kolbaserade molekyler eller polymerer, ofta med andra grundämnen som kväve, syre och svavel.

Forskare har undersökt hur organiska polymerer kan hållas i tunna skikt för att minska oönskad stapling.

Källa: POSTECH

De använde också p-dopning för att förändra de elektriska egenskaperna.

P-dopning ökar tillgången på positiva laddningsbärare, så kallade hål. I organiska material kan detta ske genom laddningsöverföring, inte bara genom att ersätta atomer i ett kristallgitter.

Källa: Wikipedia, av VectorVoyager

Forskarna rapporterade hög elektrisk ledningsförmåga i det studerade materialet. Resultat från ett försök måste bedömas tillsammans med stabilitet och tillverkningsbarhet.

Organiska material kan erbjuda alternativa tillverkningsvägar. Det är ännu inte säkert vilka 2D-halvledare som blir kommersiellt framgångsrika eller när.

Supermaterial

Även mekaniska och termiska egenskaper är intressanta, men varierar mellan material och konstruktioner.

Grafen kan ha mycket hög draghållfasthet. Inblandning i betong har i vissa laboratorieförsök förbättrat hållfasthet och minskat vatteninträngning. Förbättringarna beror på blandning och provning. Grafen ersätter inte automatiskt all stålarmering eller gör betong immun mot nedbrytning.

Källa: Achim Hering – eget verk, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

Lätta, starka kompositer undersöks också för skyddsutrustning. Laboratorieresultat är inte likvärdiga med certifierat kroppsskydd.

För värmehantering har forskare undersökt material som kombinerar låg värmeledning med mekanisk styvhet i skiktade organiskt-oorganiska hybridperovskiter.

Andra 2D-material, som grafen och hexagonal bornitrid, kan hjälpa till att avleda värme i elektronik.

Mycket starka material förekommer även i spekulativa förslag som rymdhissar. Där krävs inte bara stor tillverkningsvolym utan också felfria långsträckta strukturer, hållbarhet och en genomförbar systemdesign.

Bioteknik

Stor specifik yta, tunna skikt och anpassningsbar ytkemi gör vissa 2D-material intressanta för medicinsk forskning.

Exempel är läkemedelsleverans, avbildning, vävnadsteknik samt bio- och gassensorer.

Vissa studier undersöker även hur kiralitet påverkar materialens samspel med biologiska system.

Kiralitet innebär att ett objekt inte kan läggas ovanpå sin spegelbild så att de sammanfaller, som vänster och höger hand. Det är alltså inte en vanlig vänster-höger-symmetri.

Källa: UC Santa Barbara

Dipanjan Pan jämförde kirala strukturer med vänster och höger handske: de är spegelbilder men passar olika händer.

Skillnaden kan påverka hur molekyler och material interagerar med celler.

Forskare framställde kirala borofenbaserade nanopartiklar och undersökte deras samspel med cellmembran. Studien visade inte att materialet säkert kunde injiceras i människors blodomlopp.

Målet är att undersöka möjligheter inom medicinsk avbildning och riktad läkemedelsleverans. Klinisk säkerhet och nytta kräver ytterligare studier.

Sådan forskning kan också bidra till bedömningen av materialens säkerhet.

En liten studie av kortvarig inhalation av grafenoxid hos friska vuxna fann inte vissa akuta negativa effekter under de undersökta förhållandena. Det visar inte att all grafen är ofarlig att andas in eller att långvarig exponering och alla 2D-material saknar hälsorisker.

Biokompatibilitet måste fastställas för varje material och användning. Sensorer och nanomedicinska system kräver särskild säkerhetsprövning.

Begränsningar

Tillverkning i skala

Grafen har både forskningsmässiga och kommersiella användningar. Kvalitet, produktionsvolym och kostnader varierar kraftigt.

Att framställa stora mängder med jämn kvalitet är fortfarande utmanande, särskilt när defekter, skikttjocklek och renhet måste kontrolleras.

Kemisk ångdeposition, CVD, är en viktig metod för vissa grafenfilmer. Exfoliering och andra processer används också; CVD är inte den enda vägen till storskalig produktion.

Ett forskningsresultat är en syrefri CVD-process för grafen med färre defekter. Det innebär inte att alla industriella produktionsproblem är lösta.

Limning

Överföring och vidhäftning till andra material kan påverka skiktens kvalitet och prestanda.

Integration i elektroniska, optiska och medicinska system kräver processer som bevarar egenskaperna.

Kostnad och komplexitet måste jämföras med etablerade alternativ för varje tillämpning.

Kostnader

Priset beror på materialform, kvalitet, tillverkningsmetod och volym.

Historiska prisuppgifter från Manchester anger ett stort prisintervall för olika grafenprodukter. Ett enda kilogrampris är inte representativt för alla filmer, pulver och kvaliteter.

En enkel jämförelse med stål per kilogram säger därför lite om kostnaden för en färdig produkt. Materialmängd, funktion och tillverkning behöver räknas in.

2D‑materialföretag

Nya strukturer och bättre processer utvecklas fortlöpande, men kommersiell användning kräver mer än en laboratoriedemonstration.

Ekonomisk betydelse beror på skalbar produktion, kundnytta och konkurrenskraftiga kostnader.

CVD är relevant för vissa användningar. Det innebär inte att en viss utrustningsleverantör automatiskt får huvuddelen av marknadens värde.

1. Veeco

Veeco levererar utrustning till halvledarindustrin och andra teknikområden. Vissa system används för tillverkning av bland annat EUV-maskblanker, optoelektronik och kraftelektronik; företaget tillverkar inte därmed kompletta EUV-litografisystem.

Källa: Veeco

Veecos tekniker omfattar bland annat metallorganisk kemisk ångdeposition, MOCVD. Detta är inte samma process som varje metod som används för borofen eller grafen.

Källa: Veeco

Efterfrågan på avancerad tillverkningsutrustning kan skapa möjligheter, men order och lönsamhet beror på investeringar och konkurrens.

Nya material kan bidra till efterfrågan på särskild utrustning, men laboratorieintresse bevisar inte framtida försäljning.

Digitalisering, AI och elektrifiering kan påverka kundernas investeringar. Sambandet är inte en garanti för Veecos avkastning.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

Graphene Manufacturing Group, GMG, utvecklar grafenbaserade produkter, bland annat värmeöverföringsbeläggningar och smörjmedel.

Bolaget ger exponering mot utvecklingen av grafenprodukter. Investerare behöver också bedöma produktion, efterfrågan, finansiering och tekniska risker.

Källa: GMG

Andra forskningsområden är grafenbaserade halvledare och supraledning i särskilda grafensystem vid mycket låg temperatur. Den länkade MIT-studien visar inte supraledning vid rumstemperatur. Grafen undersöks även för batterier och barriärmaterial.

Källa: GMG

GMG framställer grafen från metan i en process som också producerar väte. Väte är därmed en produkt, inte ytterligare råvara i den beskrivna omvandlingen. Kostnads- och kvalitetsfördelar är bolagets uppgifter och måste verifieras i praktiken.

Bolaget presenterade 2023 en australiensisk anläggning med kapacitet för upp till en miljon liter värmeöverföringsbeläggning per år. Detta är kapacitet för en beläggningsprodukt, inte en miljon liter grafen eller garanterad faktisk försäljning.

GMG utvecklar även grafen-aluminiumjonbatterier. Uppgifter som 290Wh/kg, mycket snabb laddning och lång livslängd avsåg tidiga resultat eller utvecklingsmål; de visar inte att ett kommersiellt batteripaket samtidigt uppfyller alla dessa egenskaper.

Källa: GMG

Batteriprojektet kan skapa möjligheter men kräver fortsatt utveckling, validering och uppskalning. Det är inte en färdig kommersiell elbilsbatteriteknik.