– Med större bandgap tål materialet högre temperaturer, spänning och strömstyrka. Då kan man göra mycket mer energieffektiva komponenter med större kapacitet, säger Vanya Darakchieva, professor i halvledarmaterial och Wallenberg Scholar vid Lunds universitet.

I halvledarkomponenter kan ledningsförmågan kontrolleras, vilket är en förutsättning för all modern elektronik. I halvledare bildar elektronernas energinivåer energiband som skiljs åt av ett bandgap. Under vissa omständigheter kan elektronerna få tillräckligt hög energi för att hoppa över bandgapet, vilket gör att materialet börjar leda ström.

Dagens halvledarchip bygger till stor del på kiselföreningar som har små bandgap. De har varit enklast att arbeta med, men med tiden har även material med större bandgap utvecklats och används i bland annat LED-belysning. Vanya Darakchieva vill nu ta steget till ”ultrastora” bandgap.

– Det har inte gjorts så mycket utvecklingsarbete kring det förut. Det finns ju så gott om kisel i naturen, och fram till nyligen har det inte funnits någon efterfrågan på att gå bortom ”state-of-the-art”. Människor gör tyvärr sällan det.

Men nu ändras kraven. Vanya Darakchieva pekar på samhällets behov av större mängder energi, mer effektiv elanvändning, snabbare kommunikationer, större datamängder, mer energieffektiva basstationer för de kommande 6G-näten... Ultrastora bandgap skulle kunna vara en del av lösningen.

Svårare att kontrollera när bandgapen växer

De nya materialen kommer att vara metalloxider eller metallnitrider. Galliumnitrid används redan i LED-lampor på grund av sina stora bandgap. Vanya Darakchieva undersöker nu egenskaperna i gallium- och aluminiumnitrid, för att se om ettdera eller båda i kombination kan fungera. När bandgapet ökar blir dock vissa egenskaper svårare att kontrollera. Vid tillverkning av halvledare skapar man avsiktligt defekter i materialets kristallstruktur, genom att ta bort atomer eller ersätta dem med atomer av ett annat ämne, så kallad dopning. På så vis kan ledningsförmågan styras.

– Men tillverkade material är aldrig perfekta, de har alltid naturliga defekter. De blir svårare att kontrollera när bandgapet ökar, förklarar Vanya Darakchieva.

De nya materialen behöver också bestå av ämnen som inte är för ovanliga, och som inte bara går att utvinna i politiskt instabila områden. Geopolitik är viktigt för den materialutvecklare som vill se sina upptäckter komma till nytta.

Anslaget, som de som utses till Wallenberg Scholar får, har gjort det möjligt för Vanya Darakchieva att bygga ut den avancerade instrumentpark som hennes forskargrupp använder, något som möjliggjort helt nya upptäckter. Bland annat används en typ av spektroskopi kallad ellipsometri. Med den har forskarna i Lund funnit egenskaper hos defekterna i halvledarmaterialen som hittills varit okända, eller till och med missförstådda.

– Vi kan studera material med en högre upplösning än någon har kunnat förut, och upptäcker en hel djungel av okända fysikaliska fenomen. Det är fantastiskt! I ett av våra labb studerar vi materialen, i ett annat tillverkar vi dem och ser exakt vad som fungerar eller vad som saknas. Det är extremt utmanande och skulle normalt ta tiotals år – men den tiden har vi inte. Klimatförändringarna pågår, vi måste hitta lösningar snabbt.

Vill förbättra tillvaron för mänskligheten

Redan som barn i Bulgarien visste Vanya Darakchieva att hon ville bli forskare. När hon var tio kom hennes förskräckta föräldrar på henne med att försöka antända magnesiumpulver i ett experiment kallat ”vulkanen”, på familjens altan – strax intill en gastub som användes för att värma husets vatten.

– Som straff fick jag under en tid inte besöka ett labb för unga forskare som jag tyckte om...

Tidigt började hon intressera sig för astronomi. Det är fortfarande ett fält hon känner starkt för, och materialvetenskapen blev ett sätt att bidra. Även på rymdexpeditioner skulle material med ultrastora bandgap vara en stor tillgång.

Vanya Darakchieva kom först till Sverige för en doktorandtjänst vid Linköpings universitet, i labbet hos professor Bo Monemar som hade goda kontakter med några av världens mest framstående halvledarforskare. Hon flyttade vidare till bland annat USA, men när hon skulle bilda familj ville hon återvända till Sverige.

– Det här är en underbar plats tycker jag, särskilt för kvinnor. Sverige är världsledande på jämställdhet, goda förhållanden och tolerans, i kombination med en hög forskningsnivå.

Ultrastora bandgap kan lösa problem inom elektroniken, men också göra det möjligt att skapa nya material för kvantteknik.

Målet för hennes arbete de närmaste åren är att gruppen ska lyckas att helt kontrollera defekterna och dopningen i de nya halvledarna, något som ingen tidigare har klarat i material med ultrastora bandgap.

– Att göra ett unikt och fantastiskt experiment är underbart för en forskare. Men ännu bättre är det om du faktiskt kan föra in resultaten i samhället och göra saker och ting bättre för mänskligheten. Just nu upplever vi en sådan kris på alla fronter så forskare måste verkligen engagera sig för att lösa den. Vilket vi gör – och det gör mig glad och stolt.

Text Lisa Kirsebom
Bild Kennet Ruona