JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
tisdag 25 juni 2019 VECKA 26

Tungviktare i nanovärlden

Lunds universitet är tillsammans med Harvard och Berkeley världsledande inom nanotrådsforskning. Bakom den svenska framgången står Lars Samuelson, professor i halvledarelektronik, men också medgrundare av det haussade lysdiodsbolaget Glo liksom solcellsföretaget Sol Voltaics.
Nyfiken, idérik och kommunikativ. Så upplever jag Lars Samuelson. Detta kryddat med en enorm drivkraft, och en del flyt, har banat väg för forskningsresultat som gjort att Lunds universitet idag ligger i världstoppen inom nanotrådsforskning.
 
– Jag vet att Charles Lieber, som leder nanoteknikforskningen vid Harvard, tycker att det är himla bra att det finns en så stark forskningsmiljö i Europa som vår eftersom det ökar deras trovärdighet liksom motivationen i USA att stödja hans forskning. Det säger han öppet, säger Lars Samuelson.

Så skapas nanotrådar
Ett sätt att skapa nanotrådar är att låta dem växa fram på skivor (substrat) av halvledarmaterial som kisel och indiumfosfid. Det kan ske genom att guldpartiklar placeras på substratet i en matris, vanligen med 0,5 - 1 µm avstånd emellan. När en önskad gas adderas fastnar molekylerna under guldpartiklarna genom en kemisk reaktion. Byter man gas adderas ytterligare ett skikt direkt under guldpartikeln, varvid pelaren växer. Olika gaser ger nanotråden olika egenskaper.
Nanotrådarna kan även skapas med aerosolteknik. Då används inget substrat. Istället låter man guldpartiklarna väldigt långsamt strömma genom en eller flera ugnar där de reagera med speciella gaser. Metoden är betydligt billigare än alla alternativ att tillverka nanotrådar, enligt Lars Samuelson.

 
För snart 23 år sedan startade han det EU-finansierade Nanometerkonsortiet vid Lunds universitet. Idag sysselsätter det cirka 175 forskare och numera handlar omkring 90 procent av forskningen där om nanotrådar.

Fast långt innan Nanometerkonsortiet blev till hann Lars Samuelson med en hel del spännande forskning – varav en del på annan ort. Direkt efter sin disputation i optiks halvledarfysik i Lund fick han bland annat en postdoktjänst vid IBM:s forskningslabb i Kalifornien.

– Men jag kom hem snabbare än tänkt eftersom det producerades en tjänst för mig här. Jag fick pengar för att starta norra Europas första MOVPE-epitaxisystem. Det gjordes för att vi skulle få bättre kontroll på tillgången på material för grundforskning.

MOVPE är kort för Metalorganic vapour phase epitaxy. Det handlade om konventionell epitaxi – en metod att skapa tunna skikt – som bland annat ledde till att Lundaforskarna redan i början av 1980-talet kunde göra lysdiodsmaterial på kisel.

– Min allra första doktorand hette Pär Omling, sedermera generaldirektör på Vetenskapsrådet i många år. Det kan jag skriva i mitt CV, säger Lars Samuelson och skrattar.

Under några år byggdes verksamheten upp för att omfatta drygt tio doktorander. Då lämnade Lars Samuelson åter Lund för att 1986 bli professor i Göteborg.

– Ett halvår senare blev jag uppringd av Håkan Westling, rektor på Lunds Universitet. Han sa att han inte alls tyckte att det var kul som det var. Så frågande han om jag skulle söka en professur om de skapade en. Jag tänkte väl en sekund för länge för han tillade snabbt ”ja, så har vi blivit lovade en bankdonation från Skånska banken, du kan få den också”.

Åter lockade Lund Lars att återvända – nu för att starta Sveriges första nanovetenskapscent-rum. Kort därefter sökte han och folk omkring honom pengar från svenska materialkonsortier. Den första juli 1990 – samma dag som Lunds nanometerlabb invigdes – startade också det eftertraktade Nanometerkonsortiet vid universitet.

– Vårt första stora genombrott kom 1994. Då utvecklade vi självorgansierande kvantprickar genom epitaxi. Det var förstadiet till de nanopelare som vi gör idag.

Fram till år 2000 var kvantprickarna, men även teknik där man bygger nanokristaller i aerosolfasen, i forskarnas fokus.

Pusselbiten som sedan adderades kom från tiden vid forskningsmeckat Riken i Tokyo, där Lars Samuelson var gästprofessor under mitten av 90-talet.

– Jag visste att det fanns en väldigt spännande forskning på Hitachi kring nanotrådar, ledd av Kenji Hiruma som sedemera blev hedersdoktor här på universitetet. Jag sprang många gånger och snokade i hans labb när jag var där, säger Lars Samuelson.

– Nä, inte riktigt. Vi lärde känna varandra och jag fann mycket inspiration i det han gjorde. Men redan då insåg jag hur man skulle kunna göra nanotrådarna mycket bättre. Vi hade ju aerosolteknik och nanofabrikation som de inte hade, så vi skulle kunna göra det hela mycket mer kontrollerat.

Väl hemma gjorde Lars Samuelson sitt första nanotrådsexperimentet 1999. Han insåg snabbt potentialen i tekniken och började samla vad han kallar sitt A-team för att utveckla nanotrådar.

Strax därefter fick han en rejäl energikick av Nobelpriset i fysik år 2000, som gick till utvecklingen av halvledarheterostrukturer för höghastighets- och optoelektronik.

– Jag sa ”jäklar detta borde man kunna göra i endimensionella system så att det blir heterostrukturer med kvantprickar och kvantbarriärer”. Så blev det. Vi kunde demonstrera den allra första kontrollerade tillväxten av hetrostrukturer i nanotrådar som sedan producerades i januari 2002.

Följande sommar hände något häpnadsväckande. En man från New York ringer Lars Samuelson och säger: ”Jag heter Steve Morrell, kan jag komma och besöka dig?”. En vecka senare anlände han.

– Han sa ”nu har jag lagt tiotusentals dollar på att undersöka dig och din forskning och nu är jag här för att investera”. Det har vi aldrig hört på fysik i Lund tidigare, säger Lars Samuelson och skrattar gott.

Tajmingen för Steve Morrells entré var inte optimal, men efter några års arbete med att få loss de patentet som BTG (British Techology Group) hjälpt till med att skriva är norska Teknoinvest – där Steve Morrell arbetar – en av de stora investerarna i de företag som senare knoppats av från Lunds nanoforskning.
 
Glo: I Sverige arbetar åtta personer på —företaget med att ta forskningen ur labbet. I Silicon Valley, i USA, har företaget över 60 anställda. Där sker all industrialisering. Företaget har hittills tagit in över 500 miljoner kronor.
Sol Voltaics: Har 15 anställda i Lund.
Först ut var Qunano. Företaget, grundat år 2005, hade till en början i uppgift att titta på lysdioder och elektronik. Två år senare tog dock ledningen beslutet att spjälka av lysdiodsföretaget Glo och solcellsföretaget Sol Voltaic, som båda grundades år 2008.

– Det gjordes för att investerare ska veta vilka tillämpningar de investerar i.

Numera används Qunano istället för att samla upp IP, men också för att testa nya koncept sprungna ur forskningen som kan komma att knoppas av på sikt.

Av Glo och Sol Voltaics är det utan tvekan lysdiodsföretaget som kommit längst på sin kommersiella bana.

– Glos komponenter utvärderas just nu i samverkan med ledande displaytillverkare, säger Lars Samuelson som är medgrundare, forskningschef och styrelsemedlem i de tre företagen.

Han berättar att Glo – som tagit fram en metod för att bygga lysdioder med nanotrådar på kisel – hittills utveckla blå lysdioder som är lika bra som de traditionella som finns på marknaden. Därtill har företaget gjort lika effektiva gröna lysdioder, vilket ingen annan gjort. Nästa steg är att göra rödemitterande lysdioder baserade på nanotrådar.

Idag används vita lysdioder som bakgrundsbelysning i moderna datorskärmar. Nästa stora grej är att ersätta dessa med trefärgs-lösningar – blått, grönt och rött. I de fall man redan gör detta idag används bredbandiga lysdioder från vilka man filtrerar ut de önskade våglängderna, vilket är väldigt ineffektivt.

Istället vill man använda en blå, en grön och en röd lysdiod. Då kan man även göra sekventiella displayer, vilket ger mycket högre briljans och energieffektivitet. Med planarteknik går det att göra blå lysdioder genom att addera indium till galliumnitriden. Längre våglängder går däremot inte att skapa effektivt.

– Vi tror istället att lösningen på den röda lysdioden är att klä nanopelare med kvantprickar. Det gör vi här i labbet inom ett EU-projekt där Glo är den industriella partnern.

Inom projektet har forskarna tre år på sig att leverera smalbandiga blå, gröna, röda och gula lysdioder. Och när projektet är klart får Glo unik access att nyttja resultatet i produkter.

Ytterligare ett problem med dagens lysdioder är att det har inbyggda piezoelektriska fält som dels gör dem mindre effektiva, dels får dem att driva i våglängd vilket kräver smalbandiga färgfilter, sensorer och dynamisk återkoppling för att hantera.

– Nanotrådar har inte dessa problem så effektförbrukningen minskar med åtminstone en faktor tio. Det är en enorm teknisk och kommersiell fördel.

De första skärmarna med Glos teknik inuti kan mycket väl vara på marknaden nästa år tror Lars Samuelson, men då kompletterade med enkla röda planara lysdioder.

– Glo har inte riktigt börjat dra in pengar ännu, men man ser upploppet. Jag tror att det blir någon form av exit inom 18 månader, säger Lars Samuelson.

För Sol Voltaics är det betydligt längre kvar till mållinjen. Flera möjliga vägar framåt finns, men än är det tveksamt vad som kan bli kommersiellt gångbart.

Inom EU-projektet Amon-Ra, som avslutades i höstas, var företaget med som enda industripart tillsammans med bland andra Lunds universitet och tyska Fraunhofer-institutet. Här var målet att ta fram solceller av nanotrådar i traditionellt III-V-material som hade en verkningsgrad på 10 procent – slutresultatet blev imponerande 13,8 procent uppmätt av Fraunhofer.

Resultatet är enligt Lars Samuelson åtminstone en faktor tre bättre än vad som tidigare publicerats. Det publiceras i januari i år i tidningen Science, vilket får ses som en bra avslutning av Amon-Ra.

– Sol Voltaics skulle kunna dra igång detta i en produktionslina väldigt snart, men jag tror inte att det kommer att ske just nu. Kostnaden för tekniken är helt enkelt för dyr.

Istället arbetar Sol Voltaics intensivt med aerotaxy, för att med hjälp av den framställa spannar med nanotrådar.

– Jag fick idén för 3,5 år sedan. Jag tyckte inte att man borde behöva substratet när man gör enkristallina halvledare utan istället göra det direkt från guldpartiklar som svävar i luften. Vi gjorde experiment och nästan det första gick perfekt. Vi fick pinnar som alla var orienterade på samma sätt som då man gör det epitaxiellt.

Idag arbetar Sol Voltaics till 80 procent med aerotaxy. Enkelt beskrivet framställs nanotrådar med pn-övergångar med hjälp av två ugnar som materialet sekventiellt flyger igenom. I den första skapas den p-dopade delen, medan den n-dopade växer till i den andra.

Först görs alltså själva nanotrådarna för att i ett nästa steg linjeras upp. Således separeras material- och solcellstillverkningen.

– Fördelen är att man dels kan använda tekniken för att göra solceller, dels kan skapa nanotrådar som man sedan kan komplettera en existerande kiselsolcell med för att på så vis ge den runt fem procent högre verkningsgrad, säger Lars Samuelson.

Samtidigt lägger han till att det stora genombrottet, framförallt för tillverkningen av solceller, kom för 1,5 år sedan då man lärde sig att linjera nanotrådarna med nanoprintlitografi. Innan dess använda man antingen slumpmässig positionering av trådarna, vilket inte var bra eftersom det gav mycket lokala variationer, eller elektronstrålelitografi, vilket fungerar bra för doktorandprojekt men knappast annars.

– Med genombrottet fick vi plötsligt perfekta arrayer över en kvadrattum, så nu kan vi göra stora areor. Då talar jag solceller, säger Lars Samuelson.
MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)