header-pattern-bg

Nya banbrytande optiska sensorer tillverkade med nanoteknik

Med nanoteknik går det att kombinera material med olika optiska egenskaper på helt nya sätt. Denna teknik möjliggör tillverkning av komponenter som är mycket mindre, energieffektivare, billigare och mer funktionella än de som sitter i dagens produkter. Unika nanotrådar, framtagna av forskare från Halmstad och Lund, förväntas leda till en ny generation av banbrytande solceller och fotokänsliga detektorer som kan integreras direkt med konventionell kisel-baserad elektronik.

Håkan Pettersson, professor i fysik vid Högskolan i Halmstad, förklarar genombrottet:

– Vi har lyckats skapa högkvalitativa skiktstrukturer på nanonivå. Skikten består av två olika material med olika optiska egenskaper, vilket är en stor utmaning eftersom materialen egentligen inte passar ihop. Det är lite som att försöka sätta samman lego- med duploklossar.

Forskarnas lösning är att växa de olika materialskikten i nålliknande strukturer, så kallade nanotrådar. Den lilla diametern på trådarna minskar drastiskt spänningarna i de tunna skikten vilket gör att sprickor och andra materialfel undviks.

– Nanotrådar med denna heterogena "sandwichstruktur" gör det möjligt att kombinera material med helt olika egenskaper. Genom att välja rätt materialkombinationer kan vi skräddarsy nanotrådar för olika användningsområden. Vårt fokus i detta forskningsprojekt har varit att utveckla optiska nanotrådar för fotodetektorer. Dessutom möjliggör nanotrådarnas lilla diameter att man kan växa dem i princip direkt på en kiselplatta tillsammans med CMOS-elektronik*, vilket öppnar för en ny typ av integrerad optoelektronik, säger Håkan Pettersson.

Nanotrådar

”Nanosandwich”: a) Mikroskopbild av InP nanotrådar. En fotodetektor består av fyra miljoner sammankopplade nanotrådar. b) Närbild av en nanotråd med tre synliga, endast 8 nanometer tjocka, inbäddade segment av InAsP. c) Bild av en hel InP nanotråd med totalt 20 inbäddade InAsP segment.

Om nanoteknik och nanotrådar

Nanotrådar har en typisk längd om några mikrometer (1 mikrometer = 1 miljondels meter), medan diametern varierar mellan någon nanometer (1 nanometer = 1 miljarddels meter) till flera hundra nanometer. Genom den lilla storleken och möjligheten att kontrollera olika material på en atomskala beskrivs ofta nanoteknik som ”atomslöjd” – att designa material på atomnivå. Nanotrådarnas egenskaper kan varieras beroende på materialsammansättning, diameter och längd.

Det som gör nanoteknik så speciellt är att ämnen beter sig annorlunda på nanonivå än vad de gör i en större skala. Våra vanliga fysikaliska lagar gäller ofta inte längre, utan ersätts av kvantfysik. Som exempel kan nämnas att elektronerna i de små inbäddade InAsP segmenten, som beskrivits ovan (se mikroskopbilder), beter sig som ett slags vågor som styrs av kvantmekaniska lager. Segmenten kallas därför för kvantdiskar (quantum discs). Genom att optimera tjockleken på segmenten kan man skräddarsy deras elektriska och optiska egenskaper. I ett annat arbete som nyligen skickats in till en världsledande tidskrift har forskarna för första gången lyckats skapa interna optiska resonanser i enstaka kvantdiskar med ljus med mycket lång våglängd, vilket öppnar för möjligheten att med samma nanotrådar göra extremt ”bredbandiga” detektorer som är känsliga över mycket stora våglängdsintervall. I ytterligare ett annat arbete har de skapat de första nanotrådsdetektorerna med en intern förstärkare i form av ett annat materialsegment helt integrerad i ena änden av nanotråden.

– Förutom stor potential för framtidens smarta optoelektroniksystem och materialsystem, leder forskningsprojektet till fundamentalt ny kunskap kring optoelektronik och materialfysik. Denna grundforskning är både rolig att försöka förstå och absolut nödvändig för att skapa banbrytande nya komponenter, säger Håkan Pettersson.

Andra fördelar med nanopartiklar, som till exempel nanotrådar, är att de har en väldigt stor yta i förhållande till sin volym. Detta har stor betydelse för tillverkning av exempelvis nya typer av biosensorer. Nanoteknik används redan nu inom en rad olika tillämpningsområden av biologi, fysik och kemi, till exempel inom utveckling av nya material, elektronik, medicin, bioteknik och energiteknik.

1 nm = 0,000000001 m

Ett mänskligt hårstrå är ca 50 000 nanometer tjockt.

Källor: Nobelmuseet, Stiftelsen för Strategisk Forskning och SwedNanoTech.

Om metoden för att tillverka nanotrådar

Forskarna skapar ett mönster av små guldpartiklar på den yta (ett chip) där nanotrådarna ska växa. Chipet stoppas in i en slags avancerad ugn som hettas upp. Sedan tillförs gaser som innehåller de grundämnen (indium, arsenik och fosfor) som ska bilda nanotrådens olika skikt, i detta fall indiumfosfid (InP) och indiumarsenidfosfid (InAsP). Guldpartiklarna katalyserar växten, det vill säga det växer en nanotråd under guldpartiklarna. En guldpartikel kan ses i figur c) ovan som det ljusa, halvklotformade objektet i högra änden av nanotråden. Genom att byta gaser kan skikt av olika material växa ovanpå varandra. Ett snabbt byte av gaser ger oerhört tunna skikt (kvantdiskar) av olika material längs med trådarna. Nanotrådarna kan växas med en förhållandevis enkel och självorganiserande teknik där atomerna hittar rätt plats automatiskt.

Mer ljus kan fångas upp

Enkelt förklarat omvandlar en fotodetektor ljus till elektricitet. Genom att bygga upp fotodetektorer av flera miljoner hopkopplade nanotrådar med den nya heterogena strukturen blir detektorn extra ljuskänslig. Den fungerar dessutom över ett bredare våglängdsområde än vad som är standard i till exempel dagens solceller. På så sätt kan en större mängd ljus fångas upp och fotodetektorn eller solcellen kan bli mer energieffektiv.

Nanoteknik

Forskarna använder en spektrometer för att analysera proverna över olika våglängder och vid olika temperaturer – från rumstemperatur till minus 268 grader celcius (fem grader över den absoluta nollpunkten). Bilden visar ett prov som just tagits ut ur kylan i spektrometern.

Konsortium samlar de bästa forskarna inom nanoteknik

Forskningsgruppen vid Högskolan i Halmstad tillhör Akademin för informationsteknologi och består av doktoranderna Mohammad Karimi, Vishal Jain och Laiq Hussain samt professor Håkan Pettersson. Håkan Pettersson är också medlem i styrgruppen för forskningsmiljön Rydberg Laboratory of Applied Sciences (RLAS) vid Akademin för ekonomi, teknik och naturvetenskap, där han bland annat ansvarar för forskningslaboratoriet Rydberg Core Laboratory (RCL). Forskningen sker sedan många år tillbaka i samarbete med NanoLund som är en del av Lunds Universitet och ett av Europas ledande tvärvetenskapliga konsortier för nanoteknik. Forskarna i Halmstad tillverkar komponenterna i ett så kallat renrum i Lund (Lund NanoLab) och genomför sedan alla elektriska och optiska mätningar i RCL på Högskolan i Halmstad. Gruppens forskning om fotodetektorer baserade på nanotrådar med en heterogen struktur publicerades i juni i artikeln Room-temperature InP/InAsP Quantum Discs-in-Nanowire Infrared Photodetectorslänk till annan webbplats, öppnas i nytt fönsteri den mycket väl ansedda tidskriften Nano Letters.

En annan glad nyhet är att Håkan Pettersson nyligen valts in som Sveriges enda representant i klassen för halvledarfysik i International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP).länk till annan webbplats

* CMOS, complementary metal-oxide semiconductor, är ett sätt att konstruera integrerade kretsar. CMOS-kretsar finns i nästan all modern integrerad elektronik, bland annat används de som bildsensorer i kameror.

Håkan Pettersson

– Allt vi beforskar gör vi själva, så det är en mycket experimentell verksamhet. Från grundforskning hela vägen till tillämpad forskning, säger Håkan Pettersson när han visar inställningarna för spektrometern.

Text: LOUISE WANDEL

Film och bilder: IDA FRIDVALL

Toppbilden visar en chiphållare, "chip carrier" (vita plattan) med ett halvledarmaterial (svarta ytan). På halvledarmaterialet sitter provet med nanotrådar, förbundna med guldtråd till chiphållaren. Detta gör det möjligt att genomföra mätningar på nanotrådarnas egenskaper.