Ur nyhetssynpunkt – även om nanoteknik och materialvetenskap är komplicerade ämnen för de flesta av oss, är forskningen inom dessa områden av stor betydelse för nästan alla. Dina digitala prylar är till exempel helt beroende av det.
Idag är all mikroelektronik beroende av halvledare. Det är material som inte är speciellt bra på att leda ström. Men du kan lägga till små mängder av andra ämnen till dem, en process som kallas doping. Detta förbättrar prestandan hos halvledarna så att de inte är så dåliga trots allt.
– Tidigare märkte vi halvledare och såg att det drastiskt förändrade materialets elektriska egenskaper, säger doktorand Kasper Aas Honstad vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid NTNU.
Det här är väl och bra. Det är skönt när något fungerar. Men utöver att det fungerar har vi inte alltid förstått så mycket varför det fungerar. Detta gäller särskilt på atomnivå.
“Nu vet vi mycket bättre hur vi kan visualisera de tillsatta atomerna, som tidigare var nästan omöjliga att hitta. Detta ger oss ny insikt och gör att vi kan förstå hur de påverkar egenskaperna hos detta material”, säger Hunnestad.
Varför är det också viktigt att “veta varför”.
Än sen då? Varför i helvete ska vi bry oss om enskilda atomer och varför fungerar något? Är det inte tillräckligt bra bara att veta att det fungerar? Om så var fallet skulle fysiker och kemister verkligen njuta av forskningen, men vi andra skulle inte tjäna mycket på det.
“Först när du vet mer om hur något fungerar kan du manipulera materialet och optimera det”, säger Dennis Meyer. Han är professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid NTNU, som lett projektet.
Så du kan till exempel producera effektivare, miljövänligare eller billigare material för det arbete som ska utföras. Eller så kan du tilldela nya egenskaper till material du redan har tillgängligt med mycket större precision. Det är också en nyckel till att utveckla framtida material för hållbar teknik.
“Ofta vill vi introducera ny funktionalitet i material. För detta behöver vi veta exakt vilken roll varje enskild atom spelar”, säger Meyer.
Avancerade bildtekniker gör detta möjligt
Hunnestad och hans kollegor presenterar resultaten av många timmars arbete med Atom Probe Tomography (APT) i en artikel som nyligen publicerades i Naturkommunikation.
APT är en avancerad utrustning som köptes av NTNU för flera år sedan. Maskinen kan ge en tredimensionell representation av hur ett material ser ut, ner till atomnivå, förklarar Constantinos Tzoglou. Han är senior ingenjör på APT Lab På institutionen för materialvetenskap och teknik.
Hunnestad och hans kollegor använde denna anmärkningsvärda förmåga för att undersöka en ny typ av oxidbaserade halvledare till vilka mycket små mängder material tillsattes för att justera dess egenskaper.
– Med konventionella mikroskopitekniker kunde vi inte se hur små mängder tillsatser placerar sig i halvledare, säger Hunnestad. De nya resultaten visar att det är mycket lönsamt att investera i den bästa tekniska utrustningen, som denna APT-maskin, och möjliggör banbrytande forskning.
visar den enorma potentialen
Forskning är fortfarande inte riktigt lätt att använda APT heller. Men genom att sammanföra kollegor med olika experimentell och teoretisk bakgrund – tillsammans med hårt och inspirerat arbete – hittade NTNU-teamet lösningar.
“Detta är inte bara en fantastisk prestation. Det visar också den enorma potentialen hos APT-tekniken för forskningsområden där den inte har tillämpats tidigare. Det visar de unika möjligheter vi har tack vare den moderna infrastrukturen som finns tillgänglig vid NanoLab och NTNU:s TEM Gemini Center, säger Meyer.
Hunnestad har arbetat med APT i cirka tre år. Han utförde omfattande korrelationsmikroskopimätningar, med stöd av Antonius Van Helvert och Fr Eric Volum. Van Halvord är professor vid NTNU:s institution för fysik och expert på högupplöst elektronmikroskopi, medan Volum är professor II vid NTNU:s institution för fysik och seniorforskare vid SINTEF Industri.
Hunnestad och Meir är entusiastiska över alla de fascinerande möjligheter som redan har dykt upp från deras APT-baserade forskning och de nya perspektiven för att karakterisera funktionella material på atomär skala.
Avbildning av individuella titanatomer blandade i en halvledare
För sin senaste artikel undersökte forskargruppen den oxidbaserade halvledaren Er(Mn,Ti)O3. För detta ändamål tillsatte deras medarbetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory i USA små mängder av grundämnet titan (Ti) till erbiummangan (ErMnO)3).
“Med atomsonden kan vi få en tredimensionell representation av hur titanatomerna är placerade i halvledaren”, säger Meyer. “Detta gör att vi kan relatera materialets nya elektriska egenskaper till enskilda atomer.”
Dr Muhammad Zeeshan Khalid är medlem i teamet som leds av Saber Selbach, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid NTNU. Han avslutade experimenten med beräkningar. Dessa beräkningar ger ytterligare insikt i vilka effekter enskilda atomer kan ha på de fysiska egenskaperna.
En av fördelarna med det forskarna gjorde är att de kan använda metoden på många andra material också. Det är inte bara begränsat till det material som forskargruppen vid NTNU har experimenterat med.
“Procedurerna och resultaten är av brett intresse. De kan utöka vår förståelse av oxidbaserade halvledare och funktionella material i allmänhet. Forskningen öppnar helt nya dörrar”, säger Meyer. Ett samarbetssätt stärker forskningen
Många personer från olika institutioner vid NTNU bidrog till att göra detta vetenskapliga genombrott möjligt. SINTEF, Norges forskningsråd, den norska faciliteten för mikro- och nanotillverkning (NorFab), det norska laboratoriet for karakterisering av mineraler och material (MiMaC), Norskt senter for transmisjonselektronmikroskopi (NORTEM) och NTNU Nano stödde arbetet.
Forskarna noterar att detta samarbetsarbete visar väl kraften i tvärvetenskaplig forskning. Det visar vad som kan uppnås med en solid startinfrastruktur.
Detaljerna om hur Hunnestad uppnådde sådana extraordinära resultat är förmodligen svårsmälta för de flesta av oss. Men länken till forskningsartikeln nedan ger dig något att tugga på om du vill gräva djupare.
Referens: Hunnestad, KA, Hazoglou, C., Khalid, ZM et al. Atomskalig 3D-avbildning av enstaka atomer av oxidhalvledartätningsmedel. Nat Commun 13, 4783 (2022). Upplagt den 15 augusti 2022. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32189-0