header-pattern-bg

Nytt innovativt nanoteknikprojekt på Högskolan

Högskolan i Halmstad har fått ett anslag på fyra miljoner kronor från Vetenskapsrådet för ett nytt forskningsprojekt inom nanoteknik. Forskningsledare är Håkan Pettersson, professor i fysik.

– Att Vetenskapsrådet nu återigen satsar medel på vår utveckling av banbrytande optiska sensorer är ett bevis på att forskningen håller internationell toppklass, säger Håkan Pettersson.

Vid Högskolan i Halmstad bedrivs sedan många år internationellt uppmärksammad forskning inom nanoteknik. Nanoteknik handlar om att skapa effektivare komponenter och produkter genom att utnyttja de nya egenskaper som uppstår då storleken på dessa krymps till några tiotals nanometer.

– En nanometer är en miljarddels meter. Det är svårt att förstå hur litet det egentligen är. En jämförelse är att tjockleken på ett vanligt A4-papper är hundratusen nanometer, förklarar Håkan Pettersson.

Ett exempel på nanoteknik är så kallade nanotrådar som utgör grunden för helt nya typer av optiska komponenter för framtidens elektronikindustri. Det är sådana banbrytande nanotrådskomponenter som det nya forskningsprojektet handlar om.

Projektet är ett utmärkt exempel på hur grundforskning och tillämpningsperspektiv tillsammans skapar både en intressant produkt och ny kunskap.

– Håkan Pettersson

Nanotråd

Bilden visar en nanotråd med segment av olika optiska material som syns som en vit streckkod längs med tråden.

Flera nanotrådar

Bilden visar en del av en processad optisk sensor bestående av fyra miljoner sammankopplade nanotrådar. Sensorerna tillverkas gemensamt av forskare och doktorander på Högskolan och på Lunds universitet. Detektorerna testas vid Rydberg Core Laboratory (RCL) vid Högskolan i Halmstad. RCL är Högskolans äldsta och största innovativa laboratoriemiljö med avancerad utrustning för experimentell verksamhet inom naturvetenskap och tekniskt närliggande områden.

Både grund- och tillämpad forskning

Forskarna ska i det nya projektet tillverka avancerade optiska sensorer som effektivt omvandlar elektromagnetisk strålning till en elektrisk signal. Det som gör dessa sensorer unika är att trådarna kan odlas som små ”nanoträd” direkt på en billig kiselplatta – ett chip – och därefter bäddas in i ett periodiskt mönster av ett isolerande material. Detta skapar en så kallad fotonisk kristall där den inkommande optiska signalen förstärks kraftigt. Dessutom kommer den nya sensordesignen erbjuda möjligheten att externt styra sensorernas känslighet för olika våglängder med en elektrisk signal på ett fundamentalt nytt sätt. Möjligheten att styra hur sensorerna reagerar på olika våglängder ger också ny grundläggande förståelse för hur strålning växelverkar med materia i nanometerskala.

– Projektet är ett utmärkt exempel på hur grundforskning och tillämpningsperspektiv tillsammans skapar både en intressant produkt och ny kunskap, säger Håkan Pettersson.

Tekniken kan till exempel leda till bättre och billigare produkter för integrerade applikationer inom IoT (Internet of Things eller sakernas internet) där elektronik, avstämbara sensorer och batteri i form av nanotrådssolceller byggs på samma kiselchip.

Håkan Pettersson

Håkan Pettersson är professor i fysik vid Högskolan i Halmstad och leder det nya forskningsprojektet inom nanoteknik. Bild: IDA FRIDVALL

En lösning på dagens komplicerade och dyra sensorteknik

I dag tillverkas olika typer av optiska sensorer för olika våglängdsområden för att därefter integreras med kisel-baserad elektronik, vilket är både komplicerat och dyrt. Ett stort problem i sammanhanget är att kisel, som är det i särklass mest utnyttjade materialet för elektronik, lämpar sig mindre bra för optiska sensorer. Dessa baseras i stället på andra, dyrare, material som till exempel galliumarsenid eller indiumfosfid.

– Dessa material kan normalt sett inte direkt kombineras med kisel. Fantastiskt nog visar det sig att om man bara krymper de optiska sensorerna till nanometerstorlek så att ”fotavtrycket” blir tillräckligt litet, tillåter moder natur att de direkt kan ”odlas” på en kiselplatta, berättar Håkan Pettersson.

Att direkt kunna ”odla” optiska komponenter, atom för atom, på industriella kiselchip erbjuder fantastiska möjligheter att göra mer kompakt, billigare och effektivare optoelektronik.

Mer om tekniken: nanotrådar möjliggör omöjliga materialstrukturer

De optiska sensorerna i detta projekt kommer att baseras på nanotrådar. Nanotrådar kan beskrivas som oerhört tunna fibrer, tusen gånger tunnare än ett hårstrå. Varje nanotråd består av flera olika tunna skikt med olika optiska egenskaper i en ”sandwich”-struktur. Denna typ av materialstrukturer kan inte tillverkas med traditionell teknik eftersom de olika tunna skikten inte passar riktigt ihop – ungefär som att duploklossar inte kan kombineras med legoklossar. Nanotrådarna kan tillverkas i miljontals på en kiselyta med en förhållandevis enkel teknik. Tillverkningsprocessen kallas självorganisering och kan förenklat beskrivas som att små guldpartiklar sprayas på kiselytan varefter kiselplattan läggs i en het ugn. Därefter injiceras gaser som innehåller de grundämnen som ska ingå i de färdiga trådarna. En kemisk reaktion sker i gränsskiktet mellan guldpartiklarna och kislet som startar en spontan tillväxt av trådarna. Genom att snabbt ändra de gaser som injiceras i ugnen kan olika tunna skikt odlas längs med tråden.

– I vårt projekt är utmaningen att tillverka nya typer av kompakta, spänningsstyrda nanotrådssensorer direkt på en kiselskiva. Genom att ändra spänningen till sensorerna kan man ställa om dem för detektion av till exempel kortvågig infraröd strålning för optisk kommunikation, eller långvågig infraröd strålning i värmekameror för säkerhet, miljöövervakning eller medicinska tillämpningar, säger Håkan Pettersson.

Bondningsmaskin med guldtråd

På bilden syns en rulle med en tunn guldtråd, tunnare än ett hårstrå. Maskinen är en bondningsmaskin som används för att elektriskt koppla ihop själva sensorn med omvärlden genom att "sy" med guldtråd. Bild: IDA FRIDVALL

Mer om forskargruppen: nya doktorander kommer att anställas

Forskargruppen är verksam vid forskningsmiljön EIS (Embedded and Intelligent Systems Research) vid Akademin för informationsteknologi på Högskolan i Halmstad. Forskningen, som ämnesmässigt berör fysik, materialvetenskap och elektronik, kopplar också till forskningsmiljön RLAS (Rydberg Laboratory of Applied Sciences) vid Akademin för ekonomi, teknik och naturvetenskap, där Håkan Pettersson ingår i styrgruppen. Förutom forskare från Högskolan i Halmstad och Lunds universitet deltar internationellt ledande forskare från Harvard University i projektet.

Forskningsanslaget från Vetenskapsrådet ska huvudsakligen användas till att finansiera nya doktorander. Det kan också nämnas att forskningsgruppen nyligen fick ett anslag om två miljoner från Vinnova för att arbeta med ett mer tillämpat detektorprojekt baserad på nanoteknik.

Vetenskapliga publikationer

Text: HÅKAN PETTERSSON och LOUISE WANDEL

Toppbild: ANDERS ANDERSSON