Projektanslag

Grafen kan revolutionera framtidens elektronik

Det är starkare än diamant och samtidigt det tunnaste material som framställts. Det är töjbart, genomskinligt och har en överlägsen förmåga att leda elektrisk ström. Forskare vid Chalmers och universiteten i Linköping och Uppsala går nu samman för att undersöka hur grafenets egenskaper kan omsättas i tekniska lösningar.

Man i vit dräkt i renlabb

Finansiering från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse gör det möjligt att bilda en grupp på ett 30-tal grafenforskare i ett nära samarbete. "The Swedish graphene initiative" är tänkt att bli en toppsatsning som märks i den internationella konkurrensen.

– På det här viset kan vi knyta samman olika kompetenser bland de främsta inom materialforskningen och skapa gränsöverskridande samarbeten. Medlen kommer att användas till att utveckla metoder för tillverkning av grafen, men också för utveckling av olika komponenter samt en hel del viktig grundforskning, förklarar professor Mikael Fogelström, som är koordinator för projektet.

Det råder ingen tvekan om att grafen är det mest haussade materialet i forskarvärlden. Så har det varit i några år, ända sedan Kostya Novoselov och André Geim lyckades tillverka grafen 2004. Nobelpriset kom redan 2010, ovanligt snabbt, och forskargrupper i hela världen tävlar nu om att muta in nya kunskaper.

Ny tillverkningsmetod från Sverige

En angelägen fråga är att förbättra tillverkningsprocessen. Det har hittills varit ganska dyrt och även svårt att få fram grafen av god kvalitet. Upptäckter vid Chalmers och Linköpings universitet har därför fått stor uppmärksamhet i omvärlden.

Den ursprungliga tillverkningsmetoden går ut på att skala av lager efter lager från grafit tills det bara finns ett atomlager kvar. Metoden kallas exfoliering och verktyget är vanlig tejp. Hittills har det varit det bästa sättet att få grafen av god kvalitet, men nackdelen är att metoden inte kan skalas upp för att producera stora kvantiteter.

De svenska forskarna använder i stället kiselkarbid, en blandning av kisel och kol, och hettar upp det. Då förångas kiseln och kvar blir ett atomtunt lager av kol. Metoden är betydligt enklare att använda i industriell produktion och börjar dessutom nå upp till motsvarande kvalitetsnivå som för exfolierad grafen.

– Vi har faktiskt haft brist på grafen, eftersom tillgången varit så liten. Därför är det ett viktigt steg att kunna utveckla och förbättra syntesmetoder för att kunna framställa stora grafenytor, säger Mikael Fogelström.

Tekniken ligger nu till grund för ett avknoppat utvecklingsbolag i Linköping, Graphensic, som är en av världens få grafentillverkare med professor Rositza Yakimova som vd. De första kunderna är främst forskargrupper i Sverige, Japan, Frankrike och några andra länder.

Omfattande grundforskning

Samtidigt som man undan för undan ytterligare förfinar tillverkningsmetoderna så återstår annan grundläggande forskning. Det handlar om att undersöka och bearbeta grafen på nanonivå för att se vad som händer om materialet förändras på olika sätt, om det kan kombineras med andra ämnen eller hur hål i strukturen påverkar elektronernas rörelser.

– Grafen är en enormt stor molekyl och det vore intressant om man kan funktionalisera den och få den att fästa vid andra molekyler med specifika bindningar. Man kan tänka sig att den exempelvis binder till olika delar av dna eller avgaser, så att man mycket exakt och snabbt kan mäta innehållet.

De speciella egenskaperna som böjlighet och genomskinlighet föder också intressanta idéer om hur en framtida dator kan se ut.

Öppnar för ofarlig röntgen

Snabbelektronik har länge varit en röd tråd på Chalmers och en vision är att använda grafen även inom terahertz-strålning. De elektromagnetiska vågorna i terahertzområdet gör det möjligt att se in i kroppen utan att använda farlig röntgenstrålning. Strålningen dämpas av vatten, och stannar därför efter någon centimeter. Men det är just den känsligheten för vätska som gör att man kan skapa en bild av kroppens olika vävnader, eller se igenom kläder till exempel.

Terahertz-strålning kräver material där elektronerna kan röra sig extremt snabbt, och stora förhoppningar knyts därför till grafen. En grupp under ledning av Jan Stake har redan framställt en grafentransistor, som arbetar med drygt 10 gigahertz. Nu fortsätter forskningen med sikte att nå terahertzområdet, alltså mer än 100 gigahertz, vilket öppnar för helt nya möjligheter.

– Det kan röra sig om mjuk röntgen för tillämpningar inom biomedicin eller säkerhet, vid flygplatskontroller till exempel, där det hittills har saknats lämpliga komponentmaterial som klarar tillräckligt höga frekvenser, säger Mikael Fogelström.

Ett annat framtidsscenario är kortdistansradar som kan tränga igenom dimma och regn upp till hundra meter, något som kanske kan underlätta för bilförare vid dåligt väder.

– Grafen har väldigt många olika tänkbara tillämpningar, och vi befinner oss fortfarande alldeles i början av utvecklingen. Men tack vare det samarbete som vi nu bygger upp med olika forskargrupper så har vi goda chanser att tillsammans utarbeta nya applikationer och även bidra till att Sverige hävdar sig väl på området i ett internationellt perspektiv, menar Mikael Fogelström.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström