Et enkelt lag med tinn, det samme materialet som blikkbokser er kledd med, kan bli det første materialet som leder elektrisitet med hundre prosent effektivitet ved romtemperatur og høyere. Dermed kan det være aktuelt å bruke materialet, som kalles for stanén, i mange av lederne i databrikker. Dette kan kan føre til at mikroprosessorer og andre komponenter bruker mindre energi når de faktisk brukes. (Bilde: Brad Plummer/SLAC)

– Kan lede strøm uten motstand

Forskere tror tinnbasert materiale vil kunne revolusjonere elektronikk.

Det foregår mye innen den typen materialvitenskap som har potensial til å berøre informasjonsteknologi direkte. Digi.no har skrevet mye om «2D»-materialet grafén, som har mange svært velkomne egenskaper. Men forskningen på grafén har ført til at en rekke andre, lignende materialer også har blitt oppdaget og fremstilt.

Nå arbeider forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University med et potensielt svært nyttig materiale innen elektronikk.

Stanén

Materialet, som kalles «stanene» på engelsk og sannsynligvis «stanén» på norsk, består av ett enkelt lag med tinnatomer. Ifølge beregningene som forskerne har gjort, vil dette kunne bli det første materialet som leder elektrisitet med 100 prosent effektivitet, det vil si uten motstand, ved romtemperatur. Materialet er oppkalt etter det latinske ordet for tinn, «stannum», kombinert med endelsen i ordet graphene.

– Stanén vil kunne øke hastigheten og redusere effektbehovet til framtidige generasjoner med databrikker, dersom våre antakelser bekreftes av pågående eksperimenter ved flere laboratorier verden over, sier lederen for forskningsgruppen, Shoucheng Zhang, i en pressemelding. Han er fysikkprofessor ved Stanford og SIMES (Stanford Institute for Materials and Energy Sciences), et institutt som drives i fellesskap med SLAC.

Topologisk isolator

Ifølge Stanford University har Zhang og hans kollegaer brukt det siste tiåret på å beregne og forutse de elektriske egenskapene til en klasse materialer som kalles for topologiske isolatorer. Slik forskning foregår også i Norge. Disse materialene leder strøm kun på overflaten. Ifølge forskerne vil kantene av topologiske isolatorer som bare er ett atom tykke, lede strøm med 100 prosent effektivitet. Dette skyldes resultatet av komplekse samhandlinger mellom elektroner og kjernene til tunge atomer i materialene.

Autobahn

– Det magiske ved topologiske isolatorer er at de av natur tvinger elektronene til å bevege seg i definerte kjørebaner uten fartsgrense, tilsvarende tyske Autobahn, forteller Zhang.

– Så lenge de er på motorveien, kantene eller overflatene, vil elektronene bevege seg uten motstand.

For noen år siden spådde forskningsgruppen til Zhang at flere kombinasjoner av andre materialer kunne være topologiske isolatorer. Dette ble bevist av eksperimenter utført av andre, men ingen av disse materialene viste seg å være perfekte ledere ved romtemperatur. Først i år forsøkte man seg med tinn.

– Vi visste at vi burde se etter grunnstoffer i området nede til høyre i periodetabellen. Alle de tidligere topologiske isolatorene har involvert de tunge og elektronrike grunnstoffene som finnes der, sier Yong Xu, en forsker ved Tsinghua-universitetet i Beijing, som har samarbeidet med Zhangs forskningsgruppe.

Beregningene viser at et enkelt lag med tinn vil fungere som en topologisk isolator både i og over romtemperatur. Ved å blande inn fluoratomer i tinnet mener man å kunne utvide temperaturområdet til minst 100 grader Celsius.

Ved å inkludere fluoratomer (gule) i et enkelt lag med tinnatomer (grå), tror forskerne at man kan fremstille et materiale som leder elektrisitet uten motstand langs kantene (blå og røde piler) ved temperaturer på opptil 100 grader Celsius.
Ved å inkludere fluoratomer (gule) i et enkelt lag med tinnatomer (grå), tror forskerne at man kan fremstille et materiale som leder elektrisitet uten motstand langs kantene (blå og røde piler) ved temperaturer på opptil 100 grader Celsius. Bilde: Yong Xu/Tsinghua University og Greg Stewart/SLAC

Elektriske ledere

Den vesentligste faktoren som fører til at elektronikk blir varm, er motstand i de elektriske lederne. Derfor er det nettopp slike ledere i mikroprosessorer forskerne ser for seg å kunne erstatte med kombinasjonen av stanén og fluor. Ifølge Zhang vil det fortsatt kunne oppstå opphopning ved «av- og påkjøringsrampene», som vil bestå av vanlige ledere. Men ved å benytte stanén over de lengre strekningene, vil man kunne redusere varmeutvikling og effektbehovet betydelig.

– Etter hvert kan vi se for oss at stanén blir brukt også til mange andre kretsstrukturer, inkludert å erstatte silisium i hjertet av transistorer. Kanskje vi en dag til og med kaller dette området for Tin Valley i stedet for Silicon Valley, spøker han.

I tillegg til å bevise at egenskapene til stanén er like oppsiktsvekkende som man tror, er det også flere utfordringer knyttet til produksjonen som må løse. Det må sikres at det kun avsettes enkeltlag med tinn, og at dette laget forblir intakt under brikkeproduksjonen, som foregår ved ganske høye temperaturer.

Flere detaljer om forskningen finnes i denne artikkelen (Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films).

    Les også:

Til toppen