Image
Henrik Hoved Sønstebye i laboratoriet.

Henrik Hovde Sønsteby viser hvordan de bruker reaktorer som avanserte tetris-maskiner for å lage avanserte materialer. Foto: Hanna Elina Melteig/UiO

Et steg nærmere «Westworld» med nyvinning i elektronikken

Hvor liten kan en smarttelefon bli? Hvor raskt kan en datamaskin jobbe? Forskere er på sporet av materialer som kan gi teknologiske muligheter på sci-fi-nivå.

Alle dagens digitale duppe-dingser, som PC eller smart-telefon, er i stor grad bygget på egenskapene til ett grunnstoff: silisium. Nå er grensene for denne typen teknologi i stor grad nådd, og det vil være vanskelig å gjøre maskinene raskere og mindre. Derfor leter forskere over hele verden etter andre materialer som kan ta over.

På tynnfilm-laboratoriet ved Kjemisk institutt på Universitetet i Oslo har et team med Henrik Hovde Sønsteby i spissen oppdaget en gruppe materialer om har mange av egenskapene som skal til. I lengre tid har de vært oppmerksomme på at et av materialene de bruker har noen litt rare egenskaper.

Fakta

DET MAGISKE MATERIALET

Materialene forskerne har laget med den nye metoden, er sjeldne jordartsnikkelater (LnNiOx), eksemplifisert ved LaNiO3.

Dette materialet kalles for et komplekst oksid. Enkle oksider er for eksempel jern, som ruster i kontakt med luft. Det er oksygenet som gjør at det blir et oksid.

Komplekse oksider har ofte en spennende struktur og interessante elektroniske egenskaper, for eksempel superledningsevne og uvanlig magnetisme.

RIDSEM-PROSJEKTET

RIDSEM er et forskerprosjekt finansiert av Norsk forskningsråd og ligger under Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) på UiO.

 «Reflectivity and Interface Diffraction Studies of Emergent Thin-film Magnetoelectrics” startet i 2017 i samarbeid med Institutt for Energiteknikk.

Professor Helmer Fjellvåg ved Kjemisk institutt er prosjektleder.

– Dette er strengt tatt noe vi har lært over tid, kanskje åtte år, der vi har sett at en av våre kjemikalier har en tendens til å danne ordnede materialer når det legges på en overflate, forteller Henrik Hovde Sønsteby, som er postdoktor og førstelektor ved Kjemisk institutt.

– Men det har også en tendens til å være helt jævlig, skyter professor Ola Nilsen inn, han er kollega av Sønsteby.

Nettopp fordi det er uforutsigbart, begynte forskerne å jobbe videre med ulike former av stoffet til å lage materialer med. I begynnelsen var de helt uvitende om hvorfor de noen ganger fikk bra filmer og andre ikke, men etterhvert knekket de koden for hva som skulle til for å lage materialene med virkelig god krystallinitet, altså med mer ordnede former enn de andre stoffene de jobbet med.

Krystaller er atomer eller ioner som er ordnet etter et bestemt system. Det betyr at systemet gjentar seg gjennom hele materialet slik at det ser ut som et mønster på atom-nivå. Et materiale kan også være «rotete» på atom-nivå, slik som for eksempel glass. Du kan se for deg et rutemønster i motsetning til mønsteret på en hjemmelaget batikk-skjorte. Selv om dette er på atom-nivå og vi ikke nødvendigvis kan se det med det blotte øye, har måten atomene er ordnet på, svært mye å si for materialets egenskaper.

3D-puslespillet på lab

Forestill deg en tetris-brikke i tre dimensjoner. Den skal passe sammen med andre tetris-brikker og danne en fullstendig flate. Det som gjør det vanskelig i kjemiens verden, er at deler av brikken kan reagere med de andre brikkene, så puslespillet er hakket vanskeligere i laboratoriet enn på mobilen. Slik begynte Sønsteby og de andre forskerne å pusle seg fram til orden i atom-kaoset. De ønsket å få stoffet til å bli krystallinsk, altså helt ordnet, eller med andre ord: Vinne tetris.

Det er ikke første gang i historien at noen har vunnet i tetris, selv ikke i laboratorie-varianten, men det som viste seg å være unikt, noe ingen har klart tidligere, var å gjøre dette ved lave nok temperaturer, og det er her det virkelige gjennombruddet ligger.

Kan gjøres i en vanlig stekeovn

Ingen vil legge mobilen i en stekeovn med vilje. Den åpenbare grunnen til dette er at den ikke tåler høye temperaturer, og det er noe de fleste av oss har en intuitiv forståelse for. Når elektronikken ikke tåler høye temperaturer, er det derfor begrenset hva det er mulig å lage, for mange interessante prosesser krever nemlig høy temperatur. Med tetris-teknikken har Sønsteby funnet en måte å bygge krystaller på som kan gjøres ved temperaturer som tillater at materialene kan brukes i forbrukerelektronikk.

– Temperaturen er alfa og omega. De tradisjonelle teknikkene som kan gi tilsvarende materialer, krever 600 - 800 grader celcius, og nå får vi det til på 225. Vi kunne gjort det i en stekeovn! Men aller viktigst: Det kan kombineres med dagens silisiumelektronikk.

Det åpner for muligheten til å lage elektronikk-materialer av andre stoffer enn silisium eller i samarbeid med eksisterende systemer – og dette åpner for eksotisk elektronikk.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Neste stopp Westworld?

For å kunne lage roboter som likner den populære TV-serien Westworld, kreves trolig en god dose kunstig intelligens. Dagens kunstige intelligens er et stykke unna Westworld-nivå, og en måte å bygge en slik intelligens på, rent teknisk, handler om å imitere en liten hjerne. I hjernen har vi nerveceller som leder spenninger. En egenskap ved nervecellene er at forbindelsen styrkes jo mer vi bruker dem. Du kan se det som om ledningen husker at den har vært i bruk. Leon Ong Chua ved Berkely University fant opp begrepet «memristor» i 1971 for å beskrive en slik huske-funksjon i en gitt ledning. Han forutså at det måtte eksistere et slikt materiale, men det ble ikke funnet før i 2007.

En vanlig datamaskin kan behandle nuller og enere, altså enten føre strøm eller ikke. Med en memristor gis det mulighet til å lagre flere verdier, og dermed minner det mer om det som skjer i en hjerne.

– Dagens kunstige intelligens simulerer hjernen, men nå kan vi hoppe over det steget, og da nærmer vi oss Westworld, forklarer professor Ola Nilsen, fordi vi kan lage slike materialer sammen med tradisjonell silisiumelektronikk. Silisiumelektronikk er utrolig bra som den er, så vi er ikke på jakt etter å erstatte den, men heller legge til egenskaper den ikke har i dag.

Forskerne har sendt inn en patentsøknad.

En kakeform for andre materialer

Det nye materialet er altså krystallinsk, og varianter av det har memristor-egenskaper. Krystalliniteten gjør at materialet kan brukes som en slags mal eller støpeform for nye materialer. Det er nemlig mye lettere å få krystaller til å vokse på noe annet som er krystallinsk. De atomene du legger oppå, vil prøve å følge strukturen, eller malen, til det som ligger under. Dette skal fungere i teorien, men forskerne tar forbehold:

– Vi har fått til krystallinsk vekst i lav temperatur med ett materiale, og vi er ganske sikre på at vi kan gjøre det på veldig mange andre materialer med den kunnskapen vi tror vi har, forklarer Sønsteby.

Dersom det er mulig å bruke den samme teknikken på flere materialer, vil det åpne for at silisium kan byttes helt ut. Det betyr igjen muligheten for raskere, mindre og smartere elektronikk.

I disse dager har Sønsteby søkt om midler fra EU i potten for «Future Emerging Technologies» og unge forskertalenter. Det er lov å håpe at det nye materialet bare er ett av mange nyvinninger i tiden som kommer.

Den vitenskapelige artikkelen:

Sønsteby, H.H., Skaar, E., Fjellvåg, Ø.S. et al. A foundation for complex oxide electronics -low temperature perovskite epitaxyNat Commun 11, 2872 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16654-2

Les mer om Sønstebys forskning på Titan.uio.no:

Giftig bly i elektronikk kan erstattes av harmløse grunnstoffer

Henrik Hovde Sønsteby er tildelt Alf Bjørseths inspirasjonspris