Projektanslag

På jakt efter framtidens högpresterande material

Kiselkarbid är ett attraktivt material för elektronik- och kraftindustrin eftersom det tål hög spänning, höga frekvenser och temperaturer. Materialet har dessutom en mycket god förmåga att leda bort värme. Isotopren kiselkarbid skulle kunna förbättra den egenskapen ytterligare.

Erik Janzens ansikte speglat i en kiselplatta

Hittills har tillverkningsprocessen varit för dyr, men nu tror forskare i Linköping att de kan vara en lösning på spåren.

– Vi jobbar med kiselkarbid i flera olika projekt och ett handlar om isotopren kiselkarbid. Vi vill framställa artificiell kiselkarbid bestående av så få isotoper som möjligt för att få ett material som bättre leder bort den värme som utvecklas, berättar Erik Janzén, professor i halvledarmaterial vid Linköpings universitet.

Linköpingsforskarna har studerat kiselkarbid sedan 1990-talet. Erik Janzén är övertygad om att isotopren kiselkarbid skulle kunna förbättra prestandan och tillförlitligheten i komponenter för elkraft, optoelektronik och högfrekvenssystem. Det renade materialet skulle också vara bättre ur energibesparingssynpunkt. Isolering av kärnbränsle och spinntronik, grunden för kvantdatorer, är andra möjliga tillämpningsområden.

30-procentig ökning

Erik Janzén är framför allt intresserad av öka materialets förmåga att leda bort den värme som utvecklas i de processer som materialet används i.

– Jag tror att den kan ökas med 30 procent, säger han.

Men det finns några problem kvar att övervinna innan forskarna är där och ännu några innan det kan bli fråga om masstillverkning. Ett problem är att få tag i rätt sorts källmaterial. Eftersom naturlig kisel består av tre stabila isotoper och naturligt kol av två, måste man isotopanrika källmaterialet.

I slutet av 1990-talet hade man stora förhoppningar på isotoprent kisel. USA finansierade då ett projekt där ryska forskare fick till uppgift att framställa isotopren kisel 28. Att uppdraget gick till ryska forskare var ett sätt att undvika att de skulle värvas till länder som ville framställa kärnvapen. Forskarna tillverkade åtskilliga kilon som skickades till USA. Men eftersom den uppmätta termiska ledningsförmågan bara ökade med 10 procent lades projektet så småningom ner.

– Vi har kontakter med de som äger materialet i USA och har goda förhoppningar om att få tillgång till så stor mängd som behövs i vårt projekt, berättar Erik Janzén.

Rent till hundra procent

Målet är att framställa ett material som består av en enda kiselisotop, kisel 28, samt ett kolmaterial som till hundra procent består av kol 12.

– Kiselkarbid är en kemisk förening som består av ren kisel- och en kolatom. Kolet består till 99 procent av kol 12 och en procent av kol 13, om man istället har 100 procent kol 12 samt ersätter de 8 procenten av kislet som består av isotop 29 och 30 med kisel 28, borde ledningsförmågan öka med åtminstone 30 procent. Nu återstår bara att bevisa det.

Erik Janzén har även kontakter med ett norskt företag som han hoppas ska kunna få fram en användbar teknik för att skapa isotoprent källmaterial.

Men förutom att forskarna måste ha tillräckligt med material återstår det också att hitta en säker metod för att mäta den ökade termiska effekten.

– Vi jobbar på att utveckla en metodik och teori för att mäta och beräkna ledningsförmågan, konstaterar Erik Janzén.

Spårning av neutroner och fotoner

Totalt arbetar närmare 60 personer med halvledarmaterial och kiselkarbid i Janzéns forskargrupp, varav fem jobbar med den termiska ledningsförmågan.

– Gruppens hela kunnande är till nytta för projektet och fler är med och bidrar till projektet.

Tillverkare av högfrekvens- och lysdiodkomponenter lockas av de specifika egenskaper som kiselkarbid har. LG Innotek har redan hört av sig till Linköpingsforskarna eftersom de är intresserade av att använda materialet för att tillverka starkare lysdioder och transistorer för elhybridbilar.

– Det tillhör egentligen ett helt annat projekt. Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse handlar framför allt om den termiska förmågan. En annan del av projektet riktar sig mot borkarbid, som i isotopren form kan få stor betydelse för detektion, spårning, av neutroner och fotoner, vi tittar också på fundamentala egenskaper hos keramer, berättar Erik Janzén.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström