Projektanslag

Utmanande material ska ge superhårda ytor

Hårda ytbeläggningar är en svensk paradgren. En femtedel av alla skärverktyg som säljs i världen kommer från Sverige. Förklaringen ligger i många års forskning och utveckling. Men än finns det outforskade material. Forskare i Linköping ska nu koppla greppet om boriderna, en grupp ämnen som är svårtillverkade, men som kan bli både extremt hårda och supraledande.

Borider är föreningar av grundämnet bor och en eller flera metaller. De används vid tillverkning av till exempel flygplan och rymdfärjor, just för att föreningarna är så hårda. Men hittills har forskare inte lyckats särskilt väl med att tillverka riktigt tunna filmer av borider, eller noga räknat diborider; föreningar där varje molekyl består av två boratomer tillsammans med en eller flera metallatomer. Sådana filmer skulle öppna helt nya möjligheter.

Resultatet skulle kunna bli ytbeläggningar med en fantastisk förmåga att skydda eller skära genom andra material. Men man skulle också kunna få material med nya och helt okända egenskaper. Den chansen finns om forskarna skapar nya bor-metall-kombinationer, men också om de lyckas göra boriderna så tunna så att de inte ens kallas filmer längre, utan ”2D-material”. Det innebär att de är några få atomlager tjocka, precis som kolmaterialet grafen – som har helt andra egenskaper än vad kol har i formerna grafit och diamant.

Dagens kunskap som grund för helt nya material

Hittills har forskning kring hårda filmer framför allt fokuserat på oxider, nitrider och karbider; föreningar med syre, kväve och kol. Det gäller även vid Linköpings universitet.

– Vi har forskat på det i tjugo år, och kommit långt. Men varför inte använda all den kunskap vi byggt upp för att utforska ett helt nytt materialsystem? Vi har en jättebra position för att tackla utmaningarna med borider, säger Johanna Rosén, professor vid avdelningen för tunnfilmsfysik och ledare för boridprojektet, som totalt omfattar bortåt tio av universitetets forskare och snart lika många doktorander och postdoktorer.

Det som är utmanande är själva framställningen av boriderna. Boridfilmer blir lätt instabila och reagerar med syre. Materialet kan innehålla spänningar, och filmerna vill inte riktigt fästa på underlaget.

– Det är många pusselbitar som saknas, som gör att det här fältet inte har vuxit ordentligt ännu. Vi måste ta fram nya metoder och processer som är optimerade för borider, säger Johanna Rosén och konstaterar att forskningsanslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse gör det möjligt.

Varje steg i tillverkningen granskas i detalj

Forskarna i Linköping tillverkar sina filmer med så kallade plasmabaserade metoder. De utgår från en skiva av den metalldiborid som de vill göra filmen av. Skivan bearbetas i vakuum, exempelvis kan den bombarderas med joner eller utsättas för kraftig ström. Då lossnar materialets atomer från varandra, och bildar något som påminner om en gas – ett plasma. Plasmats partiklar landar sedan på en yta där de bygger upp de tunna filmerna.

I gruppen finns forskare med specialkunskap om alla de olika stegen i processen. Några arbetar teoretiskt, och använder universitetets superdator för att simulera de nya materialen.

– Många borider består av omväxlande lager av bor och någon metall. Olika metaller ger väldigt olika egenskaper, boriden blir alltifrån superhård till supraledande. I simuleringarna kan vi experimentera med olika blandningar, säger Johanna Rosén.

När plasmat tillverkas, undersöker gruppens plasmafysiker det i detalj för att lista ut om det har bra egenskaper för tunnfilmstillverkningen, eller om något behöver ändras. När sedan de tunna filmerna tar form är det andra forskare som studerar dem, deras uppbyggnad på atomnivå, ledningsförmåga, hårdhet och mycket annat.

– Vi vet hur materialet ser ut i teorin, men vi vet inte om det blir lika vackert och välordnat i verkligheten. Genom att se hur atomerna sitter kan vi hitta förklaringar till egenskaperna, säger Johanna Rosén.

Inte bara forskning på materialet, utan på processen

Det är viktigt att startmaterialet är så rent som möjligt. Johanna Rosén konstaterar att även när man köper från världsledande leverantörer så kan det finnas så mycket som tio procent föroreningar i materialet.

– Men vi har ett nära samarbete med vår leverantör och nu har de förstått vad vi behöver. Det är skillnaden mellan det här forskningsprojektet och andra – att vi kan lägga så mycket krut på processutvecklingen, alltifrån att utveckla grundmaterialet, till att forska på hur tillverkningen ska kunna skalas upp för att fungera i industrin.

Riktigt hårda material behövs för att exempelvis kunna skära i aluminium, en mjuk metall som lätt blir ”kletig”, och som används i stora mängder i industrin. Men Johanna Rosén är minst lika ivrig att utforska mer oväntade användningsområden. Kanske kommer det stora genombrottet istället inom elektroniken.

– För några månader sedan tillverkade vi en 2D-karbid som visade sig ha världsrekord i kapacitans, alltså förmåga att lagra elektrisk laddning. Vi trodde det skulle ha bra egenskaper, men det blev så himla bra. Då blir man ju nyfiken: Vad sjutton får vi för egenskaper om vi gör metalldiborider i 2D…? Då blir vi verkligen utforskare, och det tycker jag är bland det allra roligaste.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström