ΕΠΙΣΤΗΜΗ

Καινοτόμοι μέθοδοι για μικροσκοπικά μετα-υλικά από το ΙΤΕ

capture--52

Οι ηλεκτρονικές εφαρμογές του μέλλοντος στρέφονται όλο και περισσότερο στη σφαίρα του πολύ μικρού, έτσι ώστε να πετύχουν να «χωρέσουν» σε συσκευές που ταιριάζουν στην παλάμη μας ή να υποστηρίξουν ραντάρ με πολύπλοκες λειτουργίες, εξοικονόμηση ενέργειας και επίτευξη αξεπέραστης ακρίβειας. Για τον σκοπό αυτό αναζητούνται νέα υλικά, δημιουργημένα στο εργαστήριο και σε διαστάσεις που ορίζουν την εποχή της νανοτεχνολογίας. Σε αυτόν τον τεχνολογικό αγώνα δρόμου πρωταγωνιστούν και Ελληνες επιστήμονες και ερευνητές. Πρόσφατα το ευρωπαϊκό έργο NANOPOLY (FETOPEN 2019-2022), στο οποίο συμμετέχει το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ), με έδρα το Ηράκλειο της Κρήτης, διακρίθηκε σε διεθνές επίπεδο με τον χαρακτηρισμό «Key Innovator» από τον ευρωπαϊκό θεσμό «Innovation Radar», που αναζητεί, αναγνωρίζει και επιβραβεύει τις καινοτόμους τεχνολογίες αιχμής που επιδρούν δραστικά στην κοινωνία του μέλλοντος. Σκοπός του έργου NANOPOLY είναι η αναζήτηση καινοτόμων μεθόδων για την ανάπτυξη μικρότερων, ταχύτερων και πιο αποδοτικών ηλεκτρονικών στοιχείων, τα οποία θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ασύρματα ηλεκτρονικά, μια ιδέα που ποτέ μέχρι σήμερα δεν έχει δοκιμασθεί συστηματικά σε παγκόσμιο επίπεδο.

Το ευρωπαϊκό έργο NANOPOLY ξεκίνησε τις δραστηριότητές του επίσημα τον Ιανουάριο του 2019 και συμμετέχουν σε αυτό μεγάλα ακαδημαϊκά εργαστήρια και εταιρείες από οκτώ ευρωπαϊκές χώρες, με γενικό συντονιστή του έργου τη γαλλική Thales, μια από τις μεγαλύτερες ευρωπαϊκές εταιρείες στον χώρο των ασύρματων τηλεπικοινωνιών και ραντάρ αεροπλοΐας. Από την πλευρά της Ελλάδας συμμετέχει το ΙΤΕ με δύο ομάδες από το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ.

Η ομάδα μικρο/νανο-ηλεκτρονικής ασχολείται με τη μελέτη και κατασκευή ηλεκτρονικών σε επίπεδο υλικών και διατάξεων. Μερικές από τις δραστηριότητές της είναι π.χ. η μελέτη υλικών για τρανζίστορ ή φωτοβολταϊκά στοιχεία του μέλλοντος, η κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με εφαρμογές σε τηλεπικοινωνίες, ραντάρ αεροπλοΐας και άλλων εφαρμογών σε υψηλές συχνότητες ή η μελέτη πολλά υποσχόμενων συστημάτων που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών του μέλλοντος. «Το κοινό χαρακτηριστικό στη μικροηλεκτρονική έγκειται στη λογική ότι όλα χτίζονται στρώμα στρώμα, πάνω σε ένα επίπεδο υπόβαθρο με τη χρήση φωτογραφικών μεθόδων δημιουργίας σχημάτων. Ετσι φτιάχνει κανείς ένα κύκλωμα βάζοντας διαδοχικά στρώματα από μέταλλα, μονωτές και ενεργά υλικά με διαστάσεις της τάξης του μικρόμετρου (ενός εκατομμυριοστού του μέτρου). Για να αποκτήσει κανείς αίσθηση του μεγέθους, αξίζει να σημειώσουμε πως το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας είναι 50-100 μικρόμετρα. Η ταχύτητα λειτουργίας και η ενεργειακή εξοικονόμηση είναι άμεσα συνδεδεμένες και με το μικρό μέγεθος», λέει στην «Κ» ο δρ Γιώργος Δεληγεώργης, ερευνητής που είναι και ο συντονιστής του έργου για την ελληνική πλευρά. «Το κόστος κατασκευής είναι μικρό, γιατί επιμερίζεται αφού φτιάχνει κανείς πολλά όμοια κυκλώματα παράλληλα, κάνοντας μαζική παραγωγή».

Δισδιάστατα υλικά

«Μία από τις πρόσφατες ανακαλύψεις είναι αυτή των δισδιάστατων υλικών, μια νέα κατηγορία υλικών που ανακαλύφθηκαν το 2005. Τα υλικά αυτά, με πιο γνωστό αντιπρόσωπο το γραφένιο, έχουν μια σειρά από ιδιότητες που υπόσχονται σημαντική πρόοδο στην κατασκευή ηλεκτρονικών μέσα στα επόμενα χρόνια. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των υλικών αυτών είναι ότι έχουν πάχος από ένα έως μερικά άτομα, γεγονός που τα κάνει εύκαμπτα χωρίς να χάνουν τις ιδιότητές τους. Ακριβώς αυτή η καινοτομία των δισδιάστατων ή ακόμη και μονοδιάστατων (π.χ. νανοσωλήνες άνθρακα) υλικών αποτελεί μια από τις αφετηρίες της έρευνας του προγράμματος NANOPOLY», εξηγεί ο δρ Δεληγεώργης.

Η δεύτερη ομάδα που συμμετέχει στο NANOPOLY είναι η ομάδα των μετα-υλικών, η οποία είναι μια από τις πλέον γνωστές στον χώρο της παγκοσμίως. Η ομάδα ασχολείται με τον σχεδιασμό και την πειραματική εφαρμογή της ιδέας ότι μπορούμε με απλό τρόπο να κατασκευάζουμε –κυρίως από μέταλλο– τεχνητές διατάξεις με διαστάσεις μικρόμετρων, οι οποίες αλληλεπιδρούν με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και μέσα από την ηλεκτρική τους ταλάντωση συμπεριφέρονται ακριβώς όπως και τα άτομα της ύλης σε περιοχές ραδιοκυμάτων με τον τρόπο που επιθυμούμε. «Αυτό μας έδωσε τη δυνατότητα να “φτιάξουμε” υλικά κατά παραγγελία, στα οποία το φως ή τα ραδιοκύματα συμπεριφέρονται με τρόπο που δεν συναντά κανείς στη φύση. Αυτή η δυνατότητα μας επιτρέπει να “κάμψουμε” τους κανόνες της φυσικής δημιουργώντας πειραματικά φαινόμενα, όπως το να κάνουμε μια περιοχή του χώρου αόρατη, να δημιουργήσουμε σώματα που δεν ανακλούν ή ανακλούν ανάποδα από ό,τι θα περίμενε κανείς, και άλλα πολλά. Ο τομέας αυτός αποτελεί ενεργό θέμα έρευνας και έχει επιτρέψει να κατασκευάσουμε υλικά που για συγκεκριμένες ακτινοβολίες (μήκη κύματος) δίνουν ακόμη και αρνητικό δείκτη διάθλασης», σημειώνει ο δρ Δεληγεώργης. Τον συντονισμό της δραστηριότητας των μετα-υλικών στο πλαίσιο του έργου έχει η καθηγήτρια δρ Μαρία Καφεσάκη του Τμήματος Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Κρήτης.

Οι δύο ιδέες

Σκοπός του ΝΑΝΟPOLY είναι να συνδυάσει αυτές τις δύο βασικές, αλλά ρηξικέλευθες ιδέες. Η πρώτη αφορά την αντικατάσταση του πυριτίου και των γνωστών ημιαγωγών με αυτή τη νέα γενιά υλικών, επιτρέποντας στα δομικά στοιχειά των κυκλωμάτων να μικρύνουν περαιτέρω και άρα να γίνουν ταχύτερα και λιγότερο ενεργοβόρα. Επιπλέον πλεονέκτημα της σμίκρυνσης είναι πως έτσι χωρούν περισσότερα στοιχεία στον ίδιο χώρο, επιτρέποντας πιο πολύπλοκα κυκλώματα με περισσότερες ικανότητες και λειτουργίες. Η δεύτερη ιδέα είναι ότι με την προσθήκη ενός στρώματος με κατάλληλα σχήματα από μέταλλο (μετα-υλικά), κατά την κατασκευή ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος, μπορούμε να ορίσουμε τεχνητά ιδιότητες που προστατεύουν, απομονώνουν ή ενισχύουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονικών στοιχείων. Ετσι για πρώτη φορά μέσα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα μπαίνουν μετα-υλικά για να προσδώσουν π.χ. ψευδομαγνητικές ιδιότητες που μέχρι τώρα η επιστήμη δεν είχε καταφέρει να δημιουργήσει με άλλο τρόπο σε αυτή την κλίμακα. Μάλιστα, ένα μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι στην ουσία επιτρέπει με απλό τρόπο σε κάθε επιμέρους στοιχείο ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος να «βλέπει» διαφορετικό περιβάλλον, κάτι που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο και απέτρεπε τη συνύπαρξη ετερόκλητων τεχνολογιών.

«Η ιδέα είναι τόσο ελκυστική που η Ευρωπαϊκή Ενωση έδωσε ήδη συνέχεια στην προσπάθεια με τη χρηματοδότηση του ευρωπαϊκού έργου SMARTWAVE, στο οποίο πρωταγωνιστικό ρόλο έχουν και πάλι οι ίδιες ομάδες από το ΙΤΕ και σκοπός του οποίου είναι να δημιουργηθούν τα πρώτα προϊόντα με βάση την τεχνολογία αυτή, πάντα σε συνεργασία με εταιρείες όπως η γαλλική Thales. Το νέο πρόγραμμα ξεκινάει τον ερχόμενο Σεπτέμβριο και θα εξελιχθεί παράλληλα με το ΝΑΝΟPOLY», συμπληρώνει ο δρ Δεληγεώργης.