Novel two-dimensional systems: from growth to applications
- Reference number
- RMA15-0024
- Start and end dates
- 160501-220630
- Amount granted
- 33 524 044 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Precise control of material properties at the atomic level is at the core of modern technology. The surface of single-crystal silicon carbide provides such an opportunity: epitaxial graphene on silicon carbide. Just one atom thick single layer of carbon atoms can be grown deterministically in large scale (e.g. 6”), with a crystal structure coherently organized over the entire SiC surface. This feature, unique to epitaxial graphene on SiC, allows going even further and use SiC as a platform to assemble metallic atoms in a controlled way. Such atomistic assemblies might result in macroscopic 2D materials with extreme property profiles and complex functionalities that lead to disruptive innovation in science & technology. Atoms can be assembled on top of a specially graphitized surface of SiC or intercalated at the interface of SiC and graphene. In this project we address the study of these systems in an integrated manner, from growth to devices, targeting strategically important directions where these novel 2D materials might have substantial impact: (a) large-scale production technology, (b) sensing, (c) catalysis and (d) nanoelectronics. To ensure the success of the project, we build on the expertise of key research groups in Sweden that guarantee exploration of growth and physicochemical material properties at the highest scientific quality. In collaboration with key industrial partners we aim at paving the road for various applications of these novel 2D materials.
Popular science description
Upptäckten och utforskandet av grafen, det tvådimensionella undermaterialet bakom Nobelpriset i Fysik 2010 som består av ett enda lager av kolatomer, har gett upphov till en ny era av helt tvådimensionella material vars elektroniska, mekaniska och optiska egenskaper skiljer sig markant från motsvarande material i tre dimensioner. Dessa material förutspås revolutionera framtidens teknologi. För att till fullo kunna utnyttja dessa material i framtidens teknologiska utveckling krävs exakt kontroll över materialegenskaper på atomnivå. Ytan hos en högren enkristall av halvledarmaterialet kiselkarbid (SiC) ger en sådan möjlighet: Grafen kan växas kontrollerat och i stor skala på SiC, i en heltäckande kristallstruktur över ytan. Vid Linköpings universitet har en metod för framställning av högkvalitativt grafen från kiselkarbid utvecklats. Kiselkarbid består av kol- och kiselatomer och vid uppvärmning till mycket höga temperaturer lämnar kiselatomerna det översta lagret i ytan. Kvarlämnade kolatomer bildar grafen. Två fördelar jämfört med andra metoder är att komponenter av grafen kan direkt produceras över en hel kiselkarbidskiva och att antalet kollager kan kontrolleras. Detta är mycket betydelsefullt för massproduktion av komponenter. Denna unika egenskap hos SiC kan nyttjas för att på ett kontrollerat vis växa även andra tvådimensionella material utöver grafen, till exempel metaller, med extrema egenskaper och nya funktioner som kan leda till både vetenskapliga och teknologiska genombrott. Man kan arrangera enskilda atomlager av olika grundämnen ovanpå en speciellt preparerad kiselkarbidyta, eller skjuta in dem mellan grafen och SiC. SiC är ett viktigt material för kraftelektronik, och därför finns material och processteknik för komponenter av hög kvalité tillgängligt. I detta projekt avser vi studera sådana system i sin helhet, från materialtillväxt och fundamentala egenskaper till komponenter. Vi fokuserar särskilt på studier av strategiskt intresse där dessa tvådimensionella system har stor potential att få starkt genomslag; (a) produktionsteknologi i industriell skala, (b) sensorer, (c) katalys, och (d) nanoelektronik. För att säkerställa ett framgångsrikt projekt förenar vi ledande forskargrupper i Sverige som garanterar att utforskning av tillväxt samt fysiska och kemiska materialegenskaper är av högsta vetenskapliga kvalitét. Samarbete med industriella nyckelpartner banar väg för en rad tillämpningar av dessa nya tvådimensionella material.