Bladet Forskning

En planlagt tilfeldighet

Over 70 000 har sett videosnutten på YouTube. Over 50 000 leste nettartikkelen på engelsk hos Forskningsrådet. Halvledere grodd på grafén ved NTNU var kanskje fjorårets viktigste forskningsgjennombrudd i Norge.

Skrevet av: bård amundsen

 

Foto: Kai T. Dragland/NTNU GJENNOMBRUDD: Uten NTNUs nanosatsing siden 2005 og satsingen på et nytt renromlaboratorium, hadde ikke Helge Weman og kollegenes forskningsgjennombrudd vært mulig. – Også støtten fra Forskningsrådet har bidratt godt, sier Helge Weman. (Foto: Kai T. Dragland/NTNU)

Professor Helge Weman (52) kikker ut gjennom vinduet i Elektroblokk B. En NTNU-bygning med klart preg av byggeåret 1960: 

– Om noen år kan kanskje dette vinduet produsere elektrisitet.

Bøyelige mobiltelefoner, selvdrevne ultrasmå databrikker, ny og bedre solcelleteknologi. Dette er bare noen av mulighetene hvis vi kan kombinere ulike halvledermaterialer med grafén.

På vei til Trondheim

Et forskningsgjennombrudd kommer ikke av seg selv.

Bak nanoforskningsensasjonen ved NTNU i fjor lå det en rad hendelser, der mange mennesker uavhengig av hverandre kan ha gjort noe helt riktig. Hver for seg nokså tilfeldige hendelser. Sammen skapte de et forskningsgjennombrudd.

En av disse tilfeldige hendelsene var at den daværende sivilingeniørstudenten Helge Weman for omkring 30 år siden ble spurt av en oppmerksom svensk professor ved Tekniska Högskolan i Linköping om å bli stipendiat i en akademisk forskergruppe for å forske på silisium.

Foto: Kai T. Dragland/NTNU SEKSKANT: Grafén ser ut som en hønsenetting av karbonatomer i sekskantform. Tykkelsen er bare ett atom. (Foto: Kai T. Dragland/NTNU) Helge hadde ikke tenkt seg en akademisk karriere. Han skulle jobbe i svensk industri. Som far.

Far var elektroingeniør, og Helge lot seg inspirere til å begynne på sivilingeniørstudiet i teknisk fysikk og elektroteknikk ved Linköpings egen høyskole. Som far ville han ta en utdannelse som «kunne brukes til noe». Slik gikk det altså ikke, på grunn av en initiativrik professor i Linköping. Etter doktorgraden fortsatte Helge Weman på 1990-tallet ferden videre til University of California, Santa Barbara (UCSB). Der ble silisiumforskeren for alvor interessert i de nye «kvantematerialene». I dag kaller vi det nanoteknologi.

Weman forsto at dette kom til å bli viktig.

Etter to år i et ekstremt kreativt akademisk miljø i California sammen med blant andre nobelprisvinneren Herbert Kroemer ble han tilbudt jobb i det japanske televerket NTT. I Japan traff Helge sin koreanske kone. Sammen dro de med barn til Lausanne i Sveits, der Helge i åtte år ledet et prosjekt på nanomaterialer.

– I 2005 så jeg professorutlysningen ved NTNU. Det sto at universitetet i Trondheim for alvor ville satse på nanoteknologi. De søkte etter tre professorer som skulle få gå i hver sin retning. Begge foreldrene mine er norske, derfor har jeg alltid tenkt på meg selv som både norsk og svensk. Men jeg hadde aldri bodd i Norge. Jeg fikk professorjobben i nanoelektronikk i Trondheim.

Ett atom tykt

Ideen om at man skal kunne dele grafitt (rent karbon) opp i så tynne lag at vi til slutt bare sitter igjen med ett eneste atomlag – og dermed materialet grafén – dukket opp blant forskere på 1960-tallet.

På 1990-tallet hadde noen lyktes i å skrape seg ned til 100 atomlag. Lenger kom de ikke. Ikke før russiskfødte Andre Geim i 2004 grep etter Scotch Tape-dispenseren han hadde stående på pulten ved universitetet i Manchester, la en teipbit over et tynt lag grafitt, og trakk opp. Under mikroskopet fant han da et lag som var bare ett karbonatom tykt. Grafén!

Åpner det muligheter for norsk medisinsk industri?

I 2010 fikk Geim og kollega Konstantin Novoselov nobelprisen i fysikk for å ha demonstrert graféns unike egenskaper. Geim ble slik den første som har mottatt både parodi-nobelprisen Ig Nobel (for å ha fått en frosk til å sveve i løse lufta over en magnet) og nobelprisen.

Bare et halvt år før Geim og Novoselov fikk prisen i Stockholm og grafén for alvor kom på manges lepper, hadde den sørkoreanske postdoktoren Dong-Chul Kim ved NTNU foreslått for nanoelektronikkprofessor Helge Weman og halvlederfysikkprofessor Bjørn-Ove Fimland at de burde se nærmere på nettopp grafén. Da hadde forskergruppen på NTNU akkurat klart å gro såkalte GaAs-halvledernanotråder på silisiumsubstrater. Det var slik Weman fikk ideen om å prøve å gro halvledernanotråder direkte på grafén.

Kunne han få til dette sammen med Bjørn-Ove, som er ekspert på halvledergroing, og Dong-Chul, som hadde erfaring med grafén fra forskning hos Samsung?

Flere sene kveldstimer ble tilbrakt i NTNUs nye NanoLab. Det første gjennombruddet kom bare få måneder etter, 15. september 2010. Det var akkurat den samme dagen som NTNU feiret sitt 100-årsjubileum. Jubelen var de tre forskerne likevel nøye med ikke å slippe utenfor laboratoriet. I stedet samlet de en liten gruppe postdoktorer og stipendiater for å jobbe videre i stillhet.

Vi lyktes!

Så endelig – sommeren 2012 – kunne Weman og kollegene slå fast at de hadde lyktes med å plassere nanotråder av halvledere oppå et underlag som er ett atom (!) tykt. De aktive halvlederne gros normalt til en tykkelse av én milliondels meter! Slik kan grafén både erstatte havledersubstratet og samtidig fungere som en gjennomsiktig elektrode for en bøyelig nanotrådsolcelle.

– Ja, vi lyktes!

Helge Weman forteller om den helt spesielle følelsen i kroppen da han, Bjørn-Ove Fimland og Dong-Chul Kim forsto hva de endelig hadde fått til.

Halvledere er et hovedelement i nesten all moderne elektronikk. Datamaskiner, smarttelefoner, solceller, LED-lys og lasere brukt i alt fra skrivere til fiberkommunikasjon hadde ikke vært mulig uten.

Nå kan alt sammen bygges mindre og bedre.

Farvel til silisium?

Ikke noe er hetere blant nanoforskere akkurat nå enn nettopp grafén. Materialet av rent karbon er med god margin det aller tynneste og sterkeste vi kjenner til. Det er 200 ganger så sterkt som stål. Det leder strøm 100 ganger raskere enn silisium. Det leder varme bedre enn noe annet materiale. Det lar ingenting slippe gjennom. Samtidig er det altså bøyelig og gjennomsiktig. Og så begynner det å bli fremstilt billig i store mengder.

Nå blir vi i Norge blant de første i verden som benytter grafén i noe annet enn grunnforskning.

I dag lages elektronikk og solceller ofte oppå tykke silisiumsubstrater. Silicon Valley er bygd på mulighetene skapt av silisium. Men materialet har klare begrensninger. De store teknologiselskapene sliter med å lage enda mindre elektronikk-komponenter med silisium. Silisiumelektronikk genererer samtidig veldig mye varme. Det er derfor det stadig surrer en vifte inne i PC-en din.

Med NTNU-gjennombruddet kan det lages elektronikk og solceller som er flere hundre ganger tynnere enn dagens. Mindre energikrevende, bøyelige, gjennomsiktige og billigere elektronikk kan bli mulig i fremtiden. Både IBM og Samsung har forsket mye på både halvledere og grafén. Men gjennombruddet med å få halvledere til å gro på grafén, det kom i Trondheim.

Mer effektive solceller og LED

Du kommer sannsynligvis ikke til å måtte vente veldig lenge før du finner enklere typer av grafénprodukter i en butikk nær deg. Noen av dem basert på halvlederteknologi.

– I første omgang blir det innenfor solcelle- og LED-teknologien vi vil få se de nye produktene med halvledere på grafén, tror Weman. LED-lyspærer er overlegne med hensyn til energisparing, men dyre å lage på grunn av dyre halvledersubstrater. Med halvledernanotråder på grafén kan verden forsynes med langt rimeligere og mer effektive LED-lyspærer. De kan også bli lettere og bøyelige.

– Likevel er det innenfor alternativ energi at betydningen kan bli klart størst. Om halvledernanotråder på grafén brukes i solceller, kan det samme sollyset utnyttes med et materialvolum som er 1/10 så stort som en solcelle i tynnfilm. Og da har vi spart enda mye mer materiale gjennom å ha grodd halvlederne på grafén, istedenfor på et tykt halvledersubstrat. Samtidig viser ny forskning at grafén også har unike egenskaper for å øke effektiviteten i solceller.

– Her tror jeg det vil skje mye i løpet av de neste fem til ti årene. Altfor lavt priset fossil energi er den viktigste drivkraften bak global oppvarming. Sollyset er en alternativ utfordrer med enormt potensial. Men da må solenergi bli billig og mer effektiv.

Kanskje kan halvledernanotråder på grafén endelig bane vei for solenergien.

IP og bedriftsetablering

Da gjennombruddet i NTNU-laben sto klart for de tre forskerne, forsto de også at dette burde de ikke snakke med andre om før de var kommet videre. Flere andre forskergrupper i verden kunne holde på med akkurat det samme. Ble resultatet kjent, kunne andre forskere eller selskaper rimelig enkelt ta patent på det NTNU-forskerne hadde oppdaget.

Om noen år kan kanskje dette vinduet produsere elektrisitet.

– Vi hadde veldig lite erfaring med intellectual property. Derfor tok jeg kontakt med NTNUs Technology Transfer Office (TTO). De forsto raskt hva dette handlet om, og hjalp oss med å legge en plan. Slik fikk vi i ro skrevet ferdig en vitenskapelig artikkel til Nano Letters, et anerkjent tidsskrift innenfor nanoforskning. Så tok vi kontakt med Helmet filmstudio i Trondheim, som hjalp oss med å lage den veldig gode, tre minutter lange YouTube-videoen. En film som enkelt forklarer det vi har gjort. Den er vist over 70 000 ganger nå. Videoen, bra pressebilder og en gjennomarbeidet pressemelding skapte enda mer oppmerksomhet rundt det vi hadde fått til, enn vi hadde kunnet håpet på, konstaterer Weman. Han og samarbeidspartnerne har nå søkt totalt fem patenter og etablert selskapet CrayoNano AS.

– Uten et TTO ved NTNU hadde vi ikke fått til dette.

Norsk industri?

Oppmerksomheten har bidratt til at forskerne har fått mange henvendelser fra internasjonale selskaper som vil samarbeide med NTNU-forskerne og deres selskap CrayoNano. Alle industrihenvendelser er kommet fra Asia og USA. Ingen i Norge eller Europa har latt høre fra seg.

 

Foto: Kai T. Dragland/NTNU (Foto: Kai T. Dragland/NTNU)

– Nå blir vi i Norge blant de første i verden som benytter grafén i noe annet enn grunnforskning. Vi er veldig tidlig ute. I slutten av 2013 kan vi ha den første prototypen klar her i Trondheim. Vi avslører ikke hva dette blir. Men det ligger muligheter for Norge og Europa til å bruke ny teknologi basert på grafén, om noen griper den. Batterier som blir mindre og kan lades mye raskere, er ett slikt område. Norge har en avansert sensorindustri, der kan det også ligge muligheter. Det er heller ikke noe problem å ha grafén i kroppen – åpner det muligheter for norsk medisinsk industri? Det er allerede demonstrert et kunstig øye basert på grafén, som kobles til nerveceller i hjernen og gjør det mulig å se. Oksygenmodifisert grafén brukt som vannfilter i renseteknologi er også veldig spennende, saltvann kan bli til ferskvann.

– Feltet vi har jobbet med, grafén som erstatter for silisium og andre halvledersubstrater i elektronikk og solceller, åpner en rekke muligheter. Vel så store muligheter ligger det i å bruke grafén til veldig mye annet enn elektronikk. Men det kommer til å kreves mye forskning og utvikling i lang tid fremover, før dette blir akseptert i dagens gigantiske silisiumindustri. Nå er vi bare der silisium var i begynnelsen av 1960-tallet, så det er fortsatt en lang vei å gå.

Forskningsrådsstøtte åpnet veien

Helge Weman mener det er verd å merke seg at det var midler fra FORNY2020 (prosjektstøtte til forskningsbasert nyskaping) og FRIPRO-midler (prosjektstøtte til fri grunnforskning) fra Forskningsrådet som i stor grad gjorde dette uventede forskningsgjennombruddet mulig. Forskerne har også hatt nytte av midler gitt gjennom programmene NANOMAT og RENERGI, blant annet ved litt «kreativ» bruk av ansatte som ble lønnet derfra. De blir sikkert tilgitt.

Akkurat nå kunne Weman gjerne tenkt seg et Senter for fremragende forskning (SFF) for å gå videre med denne forskningen. Han søkte i siste runde (med eksellent evaluering), men kunne ikke avsløre grafénhemmeligheten i søknaden. Det ble avslag.

Professoren nøler ikke med å trekke fram NTNUs strategiske satsing på nanoteknologi siden 2005 som et godt eksempel på hva fremtidsrettet forskningspolitikk kan bidra til. Like viktig er god infrastruktur. Uten bevilgningen til nytt renrom ved NTNU NanoLab hadde ikke denne forskningen vært mulig. (Et støvkorn blir som et fjell ved siden av nanomaterialene.)

Helge Weman kikker igjen ut på plenen bak Elektroblokk B: – Vi bør kanskje få gjort noe med disse vinduene.

På YouTube kan du se videoen der Helge Weman forklarer denne forskningen på tre minutter.  

Helge Weman

  • født i Stockholm 1960
  • siv.ing. og doktorgrad (1988) fra Linköpings universitet, Sverige
  • forsker ved UCSB (USA), NTT (Japan), EPFL (Sveits) og IBM Res.Lab. (Sveits)
  • ansatt ved NTNU i 2005, som en del av universitetets strategiske satsing på nanoteknologi
  • professor i nanoelektronikk og nanofotonikk ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon

 

Skriv ut siden