Grafen består av ett lager kolatomer som bildar en tvådimensionell struktur med kvantmekaniska effekter. Kombinationen av dessa effekter och kolatomernas egenskaper ger en mängd unika materialegenskaper: elektronerna blir upp mot hundra gånger snabbare än i kisel, ytan blir superkänslig för enstaka molekyler och materialet får en enorm styrka. Grafenets fascinerande egenskaper utmanar kisel inom många tillämpningar – allt från sensorer till supersnabba processorer.

Mikael Syväjärvi är forskare vid Linköpings universitet och medgrundare till Graphensic, som tillverkar och säljer grafen på kiselkarbid. Han föreläser populärvetenskapligt om grafen och nya material för energi och miljö. Mikael har dessutom en blogg som tar upp tankar kringgrafen från forskning till industri (grafenbloggen.wordpress.com).

Men kisel har använts länge och etablerat sig hos elektronikjättarna. Moderna utrustningsparker har byggts upp kring materialet i allt från tillverkning av råmaterialet till ultra-moderna processningsutrustningar för högvolymproduktion. Detta göra att grafen möter ett starkt motstånd från kisel.

Ett alternativ är att integrera grafen med kisel för att utnyttja unika egenskaper hos grafen med fördelarna hos kisel. Men kol- och kiselatomerna kan bilda kiselkarbid. En film av kiselkarbid på en kiselskiva ger stora spänningar. Filmen kan till och med böja kiselskivan eftersom kristallstrukturerna hos kisel och kiselkarbid inte riktigt matchar. Det är en utmaning att kombinera kolatomerna i grafen med kisel.

Intressant är att teoretiska studier påvisar att silicen på kiselkarbid kan ge en större variation av de elektriska egenskaperna hos silicen. Kiselkarbid består av kisel och kol. Den ena ytan av kiselkarbid kan således avslutas med kiselatomer, den andra med kolatomer.

Beräkningar visar att silicen på kiselsidan får de kvantmekaniska egenskaper man kan förvänta sig efter en exponering mot vätgas. Däremot blir silicen metalliskt när det ligger på kolsidan. Eftersom kiselkarbiden även kan dopas för att bli isolerande eller halvledande kan en mängd olika variationer av komponentstrukturer skapas.

Första gången man började fundera på ett tvådimensionellt material av kiselatomer var år 1994, men det blev inte någon enorm respons inom forskningen. Tankarna återupptogs 2007 och materialet fick namnet silicen, men det handlade bara om teoretiska beräkningar. Det är en långt större utmaning att framställa materialet.

Parallellt med grafenmaterialets ökande popularitet har fler forskargrupper börjat studera framställning av silicen. Men kol har en enorm fördel eftersom det går att få fram små flagor av grafen genom att skala av bitar från grafit. Kisel har ingen motsvarande struktur som kan användas för att skala av flagor av silicen.

Grundidén att framställa silicen var att använda en metall och placera kiselatomer på metallen. Metallen måste ha egenskaper som gör att kisel inte reagerar med metallatomerna, eller vill bilda en blandad struktur av något slag. Tidigare hade olika tråd- eller cylinderliknande strukturer av kisel framställts på silver.

Den största utmaningen var inte att framställa materialet på silver, utan att verkligen kunna visa att det blev ett lager kiselatomer med liknande egenskaper som hos grafen. En ren silveryta kan nämligen få liknande hönsnätsmönster som beräknats för silicen. Forskarnas uppgift låg därför i att visa upp både struktur och elektroniska egenskaper. Det var först år 2012 som forskare lyckades visa upp otvetydiga bevis för silicen.

Till skillnad mot grafen har silicen en vis ojämnhet över ytan, oftast beskriven som en bucklighet. Det tvådimensionella materialet är således inte helt plant. Visserligen har liknande observationer gjorts för grafen, men ojämnheten är mer påtaglig i silicen.

Det finns en del intressanta aspekter som uppstår på grund av den buckliga ytan. Ojämnheten gör att laddningsbärarna i silicen växelverkar annorlunda med elektriska fält än grafen, trots att båda egentligen har en tvådimensionell struktur. Silicen kan därmed ge upphov till andra kvantmekaniska effekter.
Svensk forskning

Den svenska forskningen om silicen har inte fått samma fart som i Europa och övriga världen, men det finns bland annat ett par grupper i Uppsala och på KTH som börjat studera teoretiska aspekter.

Ralph Scheicher

– Både silicen och grafen är metalliska material som, trots att de är hexagonala strukturer, har en skillnad i atomernas placering. Grafen har en plan yta medan ytan hos silicen är bucklig på grund av en hybridisering hos bindningarna. Silicen är mer reaktiv på grund av detta och därmed bättre som biosensor, förklarar Ralph Scheicher från Uppsala universitet som leder en grupp som studerar silicen teoretiskt för olika biologiska tillämpningar.

Molekyler som fastnar på ytan av ett biosensormaterial ändrar resistansen. Molekylerna tillför elektroner eller fångar upp elektron, vilket ändrar ledningsförmågan hos silicen och således resistansen.

Rodrigo Amorim

– Att silicen är mer reaktiv betyder inte att alla molekyler påverkar ledningsförmågan hos silicen. Vi ser exempelvis att cytosin och guanin ger fem procents ändring av den elektriska ledningsförmågan, medan adenin och tymin inte ger någon effekt, säger Rodrigo Amorim från Uppsala universitet om beräkningar av växelverkan mellan silicen och olika kvävebaser som bygger upp DNA.

Det finns många forskningsmöjligheter inom området och det blir onekligen många jämförelser med grafen. Alla underlagsmaterial för silicen är än så länge ledande, vilket kraftigt försvårar användningen av silicen eftersom många tillämpningar kräver isolatorer eller halvledare. Samtidigt får man ha i minne att silicen är väldigt nytt, och att vi kan förvänta oss mycket utveckling inom området.


Fördelningar av elektriska laddningar mellan olika kväve baser och silicen, där det inte blir någon växelverkan med tymin och adenin (överst), medan det uppstår en växelverkan med cytosin och guanin (underst).