Nanoteknologin sysslar bara med småsaker

av Ragnhild Artimo Forum 1995-15, sida 12-15, 23.11.1995

Taggar: Teman: nanoteknologin

— Nanoteknologi borde väljas till ert strate" giskt forskningsområde, säger professor Mikko Paalanen, som blir direktör för Tekniska högskolans lågtemperaturlaboratorium. Det handlar också om högteknologi: industrins framtida konkurrenskraft.

et en kiselskiva. sk. tunnelfogar två negativ dirigera gjor ilden är en

En-elektrons-transistorn som professor Mikko Paalanen och hans forskarteam utvecklade vid Jyväskylä universitet, Elströmmen går från vänster till höger. Glöm bort de korta “cigarrerna som här är sk. spökbilder. De ljusa trådarna är 100 nm tjocka aluminiumtrådar, underlagElektronen “fastnar” mellan de två “hindren” på tråden, som är Medan en elektron befinner sig där, repelleras nästa elektron laddade partiklar repellerar varandra). “Tummen” uppe på pon med vilken man genom att variera spänningen kan eiektroner genom tråden, en i taget. Bilden är med ett AFM — Atomic Force Microscope.

En “far” till en-elektronstransistorn = är den ryska forskaren Konstantin Likharev som teoretiskt 1984 förutspådde att toulomb-effekten i små strukturer leder till at endast en elektron i taget fortplantar sig längs det ledande materialet, Professor Likharev forskar nu vid University of New York i Stony Brook.

— Nästa fråga är: vad finns i området under 350 nm? säger professor Paalanen.

Då det gäller de minsta möjliga komponenterna finns det fysikaliska gränser för hur små enheter man kan framställa. Paalanen arbetade med sådana frågor redan vid Bell Laboratories — samma labb där den historiska transistoruppfinningen gjordes — åren 1977-92.

— Denna forskning kallades mesoskopisk fysik; “meso” betecknar ett mitt-emellan, i detta fall området mellan mikro- och makrovärlden. En nyckelfråga är elektriska nanokomponenters funktion. Kan elektricitet fortplanta sig i så tunn tråd och finns där sådana fysikaliska fenomen som vi kan utnyttja? Och svaret är: Ja! Ett exempel är att vi lyckades framställa en en-elektronstransistor vid Jyväskylä universitet.

Världens minsta transistor

Paalanens arbete som professor i tillämpad fysik vid Jyväskylä universitet blev den första finländska markeringen inom det nya området nanoteknologi, en forskning som inte är äldre är sju-Åtta år. Inom två år hade nanoteamet förutom sitt experimentella forskningsarbete åstadkommit en vetenskaplig publikation om det nya området. På tre år lyckades teamet — vars arbete nu fortsätter under ledning av Paalanens medarbetare biträdande professor Jukka Pekola närmast för forskarbehov.

— Projektet befinner sig i preprototypstadiet, säger diplomingenjör Reijo Voutilainen, som personifierar RV-Elektroniikka. För att bli en termometer behöver en-elektrons-transistorn, som fungerar som givare, ytterligare instrumentering i form av en sk. elektronikbox. Jag har nu arbetat med olika kretslösningar för denna, och räknar med att inom ett år ha tagit fram en prototyp.

Voutilainen konstaterar att en-elektrons-transistorn har två egenskaper som gör utmaningen intressant: den fungerar som en absolut termometer som inte kräver kalibrering, och den är påtagligt okänslig för magnetiska störningar, vilket är viktigt i en stor del av lågtemperaturforskningen.

En färdig produkt är termometern tidigast om två år. Med ett mätområde nära absoluta nollpunkten med — troligen — 50 milligrader som nedre gräns blir den för att citera Paalanen “inte en grej för varje hushåll”, utan har en användargrupp i speciallaboratorier som arbetar med lågtemperaturforskning. Med ett instrument som Inte existerat tidigare är marknadens omfattning vansklig att tippa, och Voutilainen menar att man kan lika gärna gissa på 10, 100 eller 1 000, beroende på hur forskarna tar emot produkten. Prisläget kan blir runt 30 000 mk.

ner i sekunden — varvid en miljon elektroner förflyttar sig genom “porten” i sekunden. Men ibland slinker en extra elektron igenom för att materialet inte är rent nog — Och miljonprecision räcker bara inte för en vetenskaplig standard. Så det blir nog standardbyrån i något land. troligen Tyskland, USA eller Holland, som tar hem äran, det är ett jobb som bättre lämpar sig för dem än för högskolor och forskningsinstitut.

Xenon- och guldatomer

För att illustrera nanoteknologins korta historia klickar vi oss ännu en gång tillbaka till Bell Laboratories, tillsammans med Mikko Paalanen. Aktivera året 1984 — klick.

Bell Labs är en tuff arbetsgivare, som aldrig hört talas om “professorslättja”. Alla forskare förväntas förtjäna förtroendet att få jobba där. Varje dag, säger Paalanen. Och projekttidtabeller väntas hålla streck.

Se forskaren med rynkad panna, vid sin dator. Han heter Donald M. Eigler. Han jobbar med ett nanoteknologiskt projekt. Han berättar för sin finska kollega om hur han arbetar med STM, Scanning Tunneling Microscope — tunnelmikroskopet (uppfunnet vid IBM i Zurich ett par år tidigare) som gör det möjligt att utforska växelverkan mellan atomer och molekyler på fasta ämnens ytor, och kanske plocka och hantera enskilda atomer. vänd

NANOTEKNOLOGIN SYSSLAR BARA MED SMÅSAKER

Följ med in i mikrokosmos!

Ragnhild Artimo

Nanoteknologi sysslar med att rada atomer till bokstäver. Eller med att bygga en-elektrons-transistorer. Eller plocka ihop atomer till helt nya ämnen och material — och till pyttesmå maskiner och robotar. Det är en mycket liten värld med stora möjligheter.

ka högskolan TKK i Otnäs är be römt för sitt köldrekord, sin hjärnforskningsteknik (Neuromag; se Forum nr 16/92) och sin direktör, professor Olli V. Lounasmaa. som går i pension vid årsskiftet och efterträds av professor Mikko Paalanen. Och med Paalanen breddas kryolabbets spektrum till nanoteknologi — forskning och operationer på atomär- och subatomär nivå. Det har Paalanen bland de första i Finland sysslat med i tre år vid Jyväskylä universitet, där han introducerade detta forskningsområde efter femton år som forskare vid AT&T:s Bell Laboratories — där nanoteknologins rötter finns.

L ågtemperaturlaboratoriet vid Teknis Transistorn startskott

För att se hur nanoteknologin kom upp på skärmen måste vi klicka oss tillbaka till å 1 1947, till Bell Labs i Murray Hill. New Jersey. Två år efter Hiroshima lyckades Bellforskarna Bardeen, Brattain och Shockley (Nobel-prisbelönade år 1956) ta fram en uppfinning som dramatiskt skulle förändra både strategisk och konsumtionsteknologi: transistorn. Transistorns funktion baserar sig på halvledare, och uppfinningen innebar starten för halvledarnas användning i elektronikindustrin.

— Till en början gjordes transistorerna så att de olika komponenterna — motstånd, kondensatorer och förstärkare — löddes ihop på ett kretskort. berättar Mikko Paalanen. År 1961 hittade Texas Instruments på att framställa de olika komponenterna direkt på en kiselskiva. och på det sättet föddes idén till integrerade kretsar, vilkas användning sedan har vuxit exponentiellt och lett till hela den nuvarande informationsrevolutionen.

Komponenterna i de första integrerade retsarnai början av 60-talet var flera tiotals mikrometer “stora” — för jämförelsens skull kan konstateras att ett tunt finländskt hårstrå har diametern 50 mikrometer eller mikron.

— Man har sedermera lyckats förminska komponenterna genom olika processmetoder i halvledarindustrin, t.ex. med fotolitografi. där komponentens konturer projiceras genom exponering på en ljuskänslig inna på kiselskivan genom en mask. Med den tekniken kan man idag framställa komponenter på bara 350 nanometer. vilket nu är standardlinjebredd i halvledarindustrin.

Nanovärldens hemligheter

På 35 år har komponentstorleken reducerats till en hundradedel och man har uppnått en tiotusenfaldig komponenttäthet.

Forum nr 15/9 framställa sin en-elektrons-transistor, som fungerar inom ett extremt lågtemperaturområde där helium befinner sig i flytande form: kring 4 Kelvin eller — 2699 C (Kelvinskalan börjar från absoluta nollpunkten som är — 273”C).

Hur kan denna transistor användas i praktiska tillämpningar — En-elektrons-transistorn kan fungera som sensor eller givare, konstaterar Mikko Paalanen. Den kan användas som en sk. absolut termometer, vilket betyder att den inte behöver kalibreras mot exempelvis isens smältpunkt. Genom att en-elektronstransistorn har en plats där en elektron kan agras — “1” betyder att där finns en elektron, “O” att där inte finns någon — kan man använda transistorn som minne och har då ett binärt system, vilket gör det möjligt att i ramtiden bygga logiska komponenter som skulle bli oändligt mycket mindre än dagens mikroelektroniska komponenter. Paalanen säger att målet nu är att göra nanotransistorn mindre: om komponenten kan nedskalas från nuvarande något under 00 till 10 nm fungerar den i rumstemperatur, vilket ger fler tillämpningsmöjligheter.

Första finska nanoprodukten?

Det är den absoluta termometern som har chansen att bli den första finländska nanotekniska produkten. Jukka Pekola vid Jyväskylä universitet samarbetar med enmansföretaget RV-Elektroniikka i Vanda om utvecklandet av en specialtermometer

Forum nr 15/95

Vad ska den absoluta termometern heta? Enligt en tradition i forskarvärlden blir en bokstavskombination, en förkortning, naturligast, och här har Voutilainen redan ett förslag: CBT, Coulomb Blockade Thermometer, som redan i namnet definierar enligt vilken princip termometern opererar. (Enligt Coulombs lag repellerar partiklar med samma polaritet varandra.)

Snudd på standard

Arbetet på en-elektrons-transistorn har också en standarddimension — det saknas nämligen ännu en godkänd standard för elektrisk ström.

En volt, standarden för elektrisk spänning, är bunden, inte längre till ett torrbatteri, utan till det sk. Josephson-fenomenet: en supraledande komponent utsätts för högfrekvent strålning varvid den utvecklar en volts spänning. Elektriskt motstånd fick så sent som 1991 sin standard, som baserar sig på Quantum Hall-effekten. Forskarna bakom dessa fenomen — Brian Josephson och Klaus von Klitzing — fick båda Nobelpriset. Men det finns alltså inte ännu en godkänd standard för elektrisk ström.

— En elektron skulle ge en naturlig strömstandard, och det är sådana chanser som grundforskare nog drömmer om, säger Paalanen. Vad det ännu strandat på är en ren småsak: en miljondel. Det är den precision man uppnått vid NIST-laboratoriet i Boulder, Colorado, med den klockpuls man dirigerar elektronerna med. Klockpulsen arbetar med frekvensen en miljon vibratio medsfléra komp O motstånd, i en enda LJ - ”n janometer, nm. Åv grekiskans nan dvärg; å måttenheter Ermiljard-0;000 000 001). Tlex”hanometer, d. 3 lo: oteki i ; te SA ik TO: É ikro=miljondels).

E transfer= eo oc stön: Elektronisk ed S EI ä

Re Jä SR

Nanoteknolog fortsättning

Eigler har en projekttidtabell att följa. Det finns inga veckor kvar i den. Men han har kommit mycket nära viktiga slutsatser. Nära räcker inte, vilket man uppmärksamgör honom på, i inga oklara termer.

Eigler blir arg, berättar Paalanen. Eigler packar sina tillhörigheter i sin Volvo, och kör raka vägen från New Jersey till Kalifornien. Möjligen sover han på något motell på färden. Eigler kör till San Jose. I San Jose finns IBM:s forskningcenter Almaden. Dit kör Eigler.

Och i sitt laboratorium där, år 1989, skriver han poängraden i den sanna anekdoten, med xenonatomer: I B M.

Han använder 35 xenonatomer. (Att skriva AT&T hade kanske krävt flera.) Eigler har sprutat ett tunt tunt lager av dem på en nickelskiva, och drar dem en och en över nickelytan med den ultratunna STM-spetsen. Då atomen ligger där han vill ha den, lyfter han STM-spetsen och atomen blir kvar där den lagts. Vad som gör det jobbigt är atomernas inbördes växelverkan: flera än en atom dras med i rörelsen. Två atomer får därför bli liggande utanför logon — man behöver inte vara petnoga i pionjärarbeten.

På IBM blir forskarna mycket entusiastiska för detta slags lekar. Senare plockar de ihop en hel världskarta av guldatomer. Vid Stanford University är man inte sämre; där producerar forskarna en 25 000-faldig förminskning av första sidan ur Dickens’ A Tale Of Two Cities med samma teknik. Avsikten med dessa tilltag är att illustrera en ny forskningsgrens spännande potential.

Nanoarbetsredskap

STM eller tunnelmikroskopet har varit ett nyckelredskap för utforskandet av den minsta världen.

— De specialmikroskop som utvecklats för denna forskning brukar gemensarat kallas SPM eller Scanning Probe Microscopes, konstaterar Mikko Paalanen. De har en ultratunn spets som mekaniskt rör sig över materialet som en gammaldags grammofonnål och lyfts upp över ojämnheter och hinder, och på det sättet “läser” hur strukturerna är formade. STM — som 1986 skaffade sina uppfinnare Gerd Binnig och Heinrich Rohrer vid IBM Nobelpriset — är ett av dessa framtidsredskap med vilka vi lär oss operera i nanovärlden. Ett annat i denna verktygsfamilj är AFT eller Atomic Force Tunneling Microscope.

Paalanen påpekar att nanoteknologin redan har en kommersiell dimension: tillverkarna av de nya ultramikroskopen gör stora pengar på beställningar till forskningsinstitut, högskolor och t.o.m. enstaka industriföretag.

För framställandet av komponenter på nanonivå kan en del av de tekniker som används vid tillverkning av mikrokomponenter (alltså klassen något större) tilllämpas — i princip genom att justera förminskningsgraden på projiceringarna. En viktig main stream-metod har varit fotolitografi, men den lämpar siginte för nanoskala: det synliga ljusets våglängd är 600 nm. och går man ner till objekt under en fjärdedel a 14

Såhär såg Eiglers historiska atomski övning ut. Underlaget är en nickelskiva, på vilken han hade sprayat ett tunt lage xenonatomer. Han flyttade en atom i + med STM-spetsen, och skrev tälmodlyt “I B M” med 35 atomer. Om han inte fått sparken från Bell Labs hade det kanske stätt “AT&T”,

Xenon är en tung ädelgas, som vid STMarbetstemperaturen 4 Kelvin (— 269 “C) är flytande. En atom har ungefärliga diametern 0,1 nanometer. Ritningen nedan visar operationen schematiskt.

Atomernas herre: Donald M. Eigler i IRM-labbet Almaden med sit arbetsredskap, ett STM-mikroskop (Scanning Tunneling Microscope).

den våglängden eller under 150 nm blir “bilden” oskarp.

— Däremot kan man inom nanoteknologi utnyttja elektronlitografi som är en mer finkalibrig projiceringsteknik, men långsam, Den passar bra i alla fall då man jobbar med ren grundforskning eller prototyper av nanokomponenter, och sett ur högskolevinkel är det inte negativt att halvledarindustrin inte brytt sig om att utveckla tekniken just för att den är så långsam — det ger oss grundforskare en nisch, och också ett kunskapsförsprång…

Paalanen nämner också jonlitografi, en teknik som är under utveckling.

Chalmers skär celler

Nanoteknologins möjligheter kittlar fantasin, Den som är herre över atomerna är herre över materien. Steget att fatta flytta en atom är större än steget på Månen.

— Vi har redskapen att se på atomnivå, och står inför möjligheten att göra saker i nanovärlden. För att möjligheterna skall bli verklighet krävs massiva forskningssatsningar, säger Mikko Paalanen.

Behöver Finland en nationell nanoteknologisk forskningsstrategi? Sverige satsar målinriktat på nanoforskning, vet Paalanen: han sitter i den expertnämnd som delar ut 8 MSEK löntagarfondpengar i året till nanoprojekt, en strategisk satsning som inte är knuten till industriell spinoff.

— I Sverige har man nått rätt långt i dessa efforter vid Kungliga Tekniska Högskolan,

Lund Universitet och Chalmers Tekniska Högskola. Ett litet exempel: vid Chalmers har forskarna lyckats skära celler genom att föra dem genom ett håli en kiselfilm och då de är halvvägs sluta hålet med hjälp av mekanisk spänning eller elpuls.

I Köpenhamn verkar redan ett nanotekniskt institut, MIC, där en tredjedel av verksamheten inriktas på sådan nanomekanik. Den mycket dynamiska danska medicinska industrin har kanaliserat medel för utvecklande av nanokomponenter för denna industri, nanopumpar för vätskehantering. instrument för mikrokirurgi…

Globalt är området emellertid långt ifrån överkonkurrerat. Intensivast är aktiviteten naturligt nog ännu på grundforskningssektorn. Paalanen summerar — Sverige har alltså tre betydande nanohögskolor. I Europa har universitetet i Delft i Holland. ett kvantelektronikteam i Paris och en standardiseringsbyrå i Tyskland nått längst inom denna forskning, I Nordamerika finns det tre, fyra framgångsrika forskarteam som jobbar med det här. Men de stora “självklara” högteknologiföretagen lyser med sin frånvaro. De amerikanska mikroelektronikjättarna satsar idag mer på software en ny hårdvaruteknologi, och exempelvis AT&T:s Bell Labs (se sid 00) och IBM sanerar hårt sina forskarenheter, gallrar ut grundforskningen och styr sina beslut på basen av senaste kvartalssiffror, inte med

Forum nr 15/9 sikte på nästa fem-tioårsperiod…det kan visa sig farligt kortsiktigt. Det är egentligen bara i Japan som industrin i någon mån håller ett öga på den nya nanoutvecklingen, rätt långt nog genom att ta fram och tillverka redskapen för den. Jag tror faktiskt att förutsättningarna för att ta steget in i nästa teknologi är bäst här i Europa

Vi hinner ännu med

För Finlands del ligger fältet öppet: vi har alla möjligheter att profilera oss högt inom den nya nanoforskningen, menar Paalanen. Men de strategiska besluten och satsningarna måste göras genast.

— Vi började från noll i Jyväskylä för tre år sedan, och där jobbar nu ett tiotal forskare och studenter med dessa frågor. Nu kör Jag igång nanoforskning här vid Lågtemperaturlaboratoriet. Investeringsmässigt handlar det om modesta satsningar: elektronlitografiutrustningen och halvledarprocesseringsanläggningen går på 2-3 Mmk. Plus forskarlöner.

Det vore extra viktigt att få igång doktorsutbildning på detta område. Och få hit utländska professorer och forskare.

— Nästa sommar har vi engagerat professor Fred Sharifi från University of Florida som i tiden var med och utvecklade elektronlitografitekniken, och nu tagit fram en teknik att arbeta på nivån 20 nm. Vi hoppas få anslag för detta arbete från Väisälä-stiftelsen och Nokia-stiftelsen. En naturlig forskarmiljö att hitta gästande hjärnor är också bland Konstantin Likharevs f.d. elever i Moskva — Likharev förutspådde möjligheten av en-elektrons-transistorn. Dessutom har vi EU-anslag på över 10 Mmk över tre år, som är öronmärkta för att engagera utländska forskare.

TEKES’ anslag har bantats, vilket Paalanen är den första att beklaga: han skulle efterlysa en TEKES-profilering i detta viktiga sammanhang.

— Det är kanske olyckligt att TEKES rätt jämnt distribuerat pengar till forskningsprojekt i gränszonen mellan grund Vad man kan använda nanoteknologi till

Nanakomponenter. Elektroniska nanokomponenter som får dögens mikroelektronik att te sig som gamla telika datamaskinen) i jämförelse med dagens powerböcker.

Nanomekaniska komponenter — nedskalningssteg från da forskning och tillämpad forskning. Satsningar på projekt med en produkt i sikte eller på strategisk grundforskning kunde vara kostnadseffektivare… Vi försöker nu få med TEKES i en strategisk satsning på nanoteknologi som ett nytt tyngdpunktsområde för Otnäs. Här finns ett tjugotal nanofysikintresserade vid TKK och VTT, och vi planerar ett konsortium för nanoteknologisk forskning. Det skulle vara en viktig nationell markering på ett nytt kunskapsområde.

Lågtemperaturlabbets strategi: att vara häst

Mikko Palanens strategi för TKK:s lågtemperaturlaboratorium följer den ambitionsnivå som varit Lounasmaas: labbet ska vara världsbäst på sina egna fokusområden. Som Paalanen påpekar: “nationellt bra grundforskning” är inte bra nog.

En förändring blir breddningen från

Eniac (första jät ens mikromekanik. Tillämpning: exempelvis mätteknik. IFin- | två lyskraftiga sek land har Väisala avancerad mikromekanisk produktion, bl.a. acceleratiönsgivare (se Forum nr 16/91).

Nanomaskiner och -robotar. Submikroskopiska elmotorer, purBar, fjärrstyrda nanoverktyg för operationer och manu aktur på subatomär nivå.

Nya material. Nanoteknologin gör det möjligt att skyffla runt atomer. Den vägen kan man bygga upp nya material.

Nanomedicin och -kirurgi. Läkemedel: “atombyggda” ämnen. sPoseringsapparater för extrem precision, exempelvis inopererade i kroppen. Kirurgiska instrument för minima åverkanspå omgivande vävnader — snabb rehabilitering.

Artificiell biologi. Atom- och mölekylmanipulering öppna möjligheter att tillverka Bifoga ägo Sedum dti: iologisk reproduktion.

att artificiellt också behärska

Forum nr 15/9 torer till tre: hjärnorskning, lågtemperaturkunnande och som ny bit nanoysik.

— Hjärn- och lågtemperaturforskningen har varit högprofilsektorer som gett världsrykte som örpliktar. Vi har monopolstatus då det gäller supraflytande heliumisotopen “He — och inom denna forskning har vi på gång en spän nande serie experiment som går ut på rekonstruktion av fastransitioner efter Stora Smällen — vi skapar motsvarigheten till urrymdens “strängar”, strings, som har en viktig roll i testandet av kosmologiska modeller.

Idag utgör hjärnforskningen — kartläggning av hur hjärnan arbetar med hjälp av neuromagnetiska mätningar — 40 procent av labbets aktiviteter, medan ca 60 procent är lågtemperaturforskning. Paalanens koncept inom 3-5 år är att nanofysiken står för en femtedel av verksamheten.

Främst skall man undersöka kvantfenomen hos nanoprover i extremt låga temperaturer. men Paalanen menar att man dessutom borde arbeta med mikroelektronik och dess möjligheter i rumstemperatur.

— Jag tror också alt studenterna ser sambandet mellan nanoforskning och mikroindustrin — och att nanotekniken är nästa stora våg.

Redan nu har man inom forskarvärlden konstaterat att nanofysiken är ett trendområde, som attraherar klart starkare än partikelfysiken — å andra sidan erkänner Paalanen att biologin ligger ännu bättre till: människorna vill inte bara vet vad materien är gjord av. utan vad /ivet är gjort av.

Professor Paalanen, som numera är ordförande för fysikersällskapet, kategoriserar sig själv som framför allt grundforskare.

—— Jag vill få tid också för rent forskararbete, att undersöka dessa elementarfenomen i nanofysiken, och på den sektorn har vi möjligheter att vara bland de bästa i världen — det är en mycket smal nisch. Vi vetvilka konkurrenterna är, och vi ligger väl till. Det är därför jag vill etablera nanofysik som ett nationellt strategiskt forskningsområde: det är en sektor där man med relativt modesta investeringar men med välriktade kunskapssatsningar kan höja den nationella forskningsprofilen.

Samtidigt skapas teknologibasen för den industrivåg som logiskt följer grundforskningskunnandet i spåren. 15