Halvledarmaterial, keramer och glaser Sammanfattande bedömning Material är strategiska för mänskligheten. Nya keramiska material, inklusive halvledare, har avgörande betydelse för framtidens teknologiska barriärer inom till exempel energi, miljö, information/kommunikations- och verkstadsindustrin. En betydande del av utvecklingen sker inom nanostrukturella material. Det är uppmuntrande att ständigt nya material, fenomen och strukturer upptäcks och än fler gäckar oss. Här noteras flera Nobelpris i fysik och kemi inom materialområdet, senast det för grafen 2010. Forskningsutmaningen är att förstå och manipulera den atomära basen för materialegenskaper och hur man kan få materialen att fungera bättre genom nya metoder för syntes och processning. Sverige har en stark position 1. Trenden går mot att studera nanostrukturer och enkristaller av multifunktionella material (till exempel tribologiska, fotovoltaiska och termoelektriska samt de med stora bandgap), medan grundforskning på syntesprocesser, strukturella keramer och glas är eftersatt. Explorativa projekt kring nya material bör premieras. Ett randvillkor skall vara att projekten innehåller flertalet av elementen syntes, struktur/sammansättning, egenskaper samt modellering. Detta är materialvetenskapens paradigm. En önskvärd strategi består av fundamental forskning på material efter längdskalor från det atomära till kontinuum. Härigenom kan vi överföra funktioner från materialnivån för att möjliggöra tillverkning och icke-komplex design av komponenter och system. Forskningsstrategin bör rymma avsökning i en stor materialrymd och prediktering/simulering. Utmaningar är att extrahera energi ur förnyelsebara källor och reducera energiförluster i lysdiodsbelysning, ljusstarka läsplattor och framdrivning av fordon. Avancerade halvledarmaterial är nyckeln till utveckling av mikro- och nanoelektronik. Kemiskt stabila bränslestavar av toriumkeramer behövs för den fjärde generationens kärnkraft med en bättre resurshushållning, inget vapenplutonium och snabbare halveringstid av avfallet. Satsningar krävs på syntesmetoder med in situ-studier. Det handlar om atomlagerdeponering, kolloidsyntes, vakuumförångning, sintring och tejpgjutning. Riktade insatser krävs för studier av dopning och legeringseffekter samt analysteknik för diffusionsfenomen. Det ligger i områdets natur att det betjänas av stora och tvärvetenskapliga grupper, varför Sverige behöver fortsätta satsa på starka forskningsmiljöer och införa forskarkonsortier mellan lärosäten. Ämnet utmärker sig genom behovet av tunga analysinstrument. Vetenskapsrådet bör erbjuda sådant stöd i spannet 1 10 miljoner kronor. Forskarna betjänas även av infrastruktur med karaktär av användarfacilitet för synkrotronljus, neutronkälla, datorkluster och elektronmikroskop. RFI bör inkludera elektronmikroskopi i sin strategi. 1 Fem svenska lärosäten är inom top-131 i världen: Taiwanesisk ranking av materialvetenskap som fokuserar på vetenskaplig publicering/citering: http://ranking.heeact.edu.tw/enus/2010%20by%20subject/domain/materials%20sci/continent/europe
Ämnesbeskrivning Keramer är en övergripande materialklass (jämte metalliska och polymera material), Keramiska material inbegriper halvledare och (keramiska) glaser. Till keramklassen räknas oorganiska föreningar av icke-metaller med eller utan en metall. Hit hör alltså oxider, nitrider, karbider och borider, men även kisel och kol i dess olika polymorfer. Geologiska keramer är mineral och lera. Ämnet delas lämpligen in i följande forskningsfält: 1. Halvledarmaterial; 2. Strukturella keramer valda för sin last- och formbärande förmåga; 3. Funktionella keramer för elektrisk, magnetisk, optisk, kemisk och estetisk respons; 4. Keramiska glaser (skiljt från metalliska glaser, inom ämnet metalliska material). Ämnet ligger inom vetenskapsområdet teknikvetenskaper, speciellt området materialvetenskap och har en koppling till områdena elektroteknik och teknisk fysik samt till vetenskapsområdet naturvetenskaper, speciellt områdena fysik, kemi och geovetenskaper. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender Forskningen svarar mot erkända behov på ett europeiskt och internationellt plan. Materialforskning adresserar frågor av nationellt behov som det formulerats av utbildningsdepartementet 2. En teknisk framsynsrapport 3 bekräftar att material och ytteknik är nyckelområden för Sveriges industriella styrka. Svenska prioriteringar och instrument för forskningsstöd är kongruenta med europeiska. Amerikansk och japansk forskningspolitik är dock kraftfullare när det gäller material för energi genom att prioritera strategisk grundforskning och att ha egna departement för energi. Svensk forskning som den tar sig uttryck i ansökningar till Vetenskapsrådets beredningsgrupp NT-Q har en dominans av halvledare och funktionella keramer (ytbeläggningar). Morgondagens produkter kräver material baserade på processer som utvecklas inom Vetenskapsrådets stödområden. Dessa inkluderar skärverktyg, vita lysdioder (LED), displayer, solceller, bränsleceller, katalys, lasrar, kullager, röntgenspeglar, sensorer, magnetiska minnen, optiska beläggningar, mörkerseende kameror, och komponenter till elbilar. Forskningen skapar nya lösningar till energihushållningen (kraftverk, omvandling, överföring, användning) 4. Takten med vilken nya material och tillämpningar(fenomen) tillkommer internationellt ifrån är högre än den som svenska forskargrupper förmår beforska desamma. Alltså behöver medel tillföras NT-Q. Explorativa projekt bör premieras. Följande forskningstrender lyfts fram: 1. Internationellt utvecklas syntesprocesser för material både kemiska och fysikaliska samt att kontrollera och styra dessa in situ. Sverige sackar efter vad gäller kolloidkemi, ALD, PVD/CVD, sintring och tejpgjutning; 2. Det saknas möjligheter i Sverige att bedriva högtrycksforskning ( 10 30 GPa); 2 Regeringens forskningsproposition 2004/05:80 Research for a Better Life + 2008/09:50 A Boost to Research & Innovation 3 Teknisk Framsyn, Rapport om Material och materialflöden, IVA m.fl. 2004 4 US Basic Energy Sciences Advisory Committee Report identifies the need for strategic research on [ceramic] materials. 2003 Basic Research Needs to Assure Secure Energy Future, www.sc.doe.gov/bes/reports/abstracts.html#nct
3. Analysverktyg utvecklas för kristalldefekter/amorfhet, inte minst med avseende på dopning, diffusion och bildandet av mellanytefaser. Exempel är Cs-korrigerad TEM, ToF- SIMS, solid-state-nmr, 3D-atom probe (tomografi); 4. Avgörande framsteg sker inom modellering på flera storleks- och tidsplan; från Ab initio, via MC, MD till FEM. Fasfältsmodellering är idag ett starkt svenskt forskningsområde för metalliska material och har stor potential för keramproblem. Styrkor Omfattningen och spetsen på svensk forskning är god för halvledarmaterial och funktionella keramer. Sverige har flera starka forskningsmiljöer/grupper på området. Dessa arbetar tvärvetenskapligt och mellan olika universitet. På grund av tidigare satsningar av Vetenskapsrådet och KAW-stiftelsen till medeldyr och dyrbar utrustning så har landet goda instrumentparker, vilka kräver ständiga återinvesteringar. Tillämpad forskning och forskning på system där materialen ingår sker i riklig omfattning inom andra ämnen/beredningsgrupper. Ett randvillkor inom Vetenskapsrådets beredningsgrupp NT-Q bör vara att projekten innehåller samtidiga element av syntes, struktur/ sammansättningsanalys och egenskapsbestämning samt teori/modellering. Svagheter Svensk forskning är eftersatt på materialsyntesmetoder, strukturella keramer och glaser. Det finns en risk i att komponenter utvecklas med grundämnen som inte finns i tillräcklig mängd. Hot och möjligheter Hot Det är ett växande problem att både Vetenskapsrådet och KAW-stiftelsen dragit ner på bidrag till enskilda utrustningar och att UoH inte förmått avsätta motsvarande medel till enskilda forskare. Det ger oss en ofullständig tillgång till nödvändiga forskningsverktyg. Rektorerna gör inte enbart vetenskapliga prioriteringar. En forskare/grupp definierar sitt projekt för snävt och/eller är underkritisk med avseende på kompetens och missar den materialvetenskapliga metodiken. Tillämpningen av SiC efter 1990-talets omfattande forskningsinsats på epi-tillväxt och elektrisk karakterisering hindrades ironiskt nog av att långtidstestning och defektkarakterisering kom in för sent. Forskningsprojekt fastnar i ett materialsystem och missar att utforska eller föreslå nästa generation. Beredningsgrupperna missar projektansökningar kring nya material/fenomen. Svenska forskargrupper var tidiga med att ta upp studier på grafen (även före 2004 års publicering av Andre Geim), men Vetenskapsrådet hade ett par års eftersläpning med att ge bidrag. Eftersatt grund-/forskarutbildning inom keramer och glaser. Det finns (risk för) en internationell bristsituation för grundämnen/råvaror till strategiska komponenter i samhället av: Li, In, W, Hf, Te, Ce, La, U, Th, med flera. Duktiga studenter/unga forskare lämnar inte i tillräcklig omfattning Sverige för egen meritering och svenska lärosäten missar att repatriera de bästa av dessa.
Möjligheter Material är strategiska i samhället, de omsätts fort, vilket ger industriella möjligheter. Framtida forskning lovar kunskapsbaserad design av avancerade och multifunktionella keramer. Ämnet kännetecknas av upptäckter och innovationer. Nya keramiska och halvledarmaterial är nyckeln till fundamentala framsteg inom energiomvandling och lagring. Detta kan ge både billigare energi och lägre CO 2 -belastning. Bulktillverkning av högkvalitativa enkristaller av material med extrema egenskaper, till exempel väldigt hög smältpunkt. Utforska nya koncept för och integrera teori/simulering och visualisering, samt experiment i moderna laboratorier. Det ligger i områdets natur att det betjänas av starka och tvärvetenskapliga grupper, varför Sverige uppmuntras att fortsätta satsa på starka forskningsmiljöer (till exempel Linnéstöd) och införa forskarkonsortier utan geografisk centrering. Samtidigt behöver forskargrupperna snabbare ta sig an utmanande frågor från internationella materialupptäckter. Forskningsinfrastruktur Utvecklingen av nya avancerade material kräver alltmer avancerade metoder. Internationellt är utvecklingen mycket snabb. Ämnet halvledarmaterial, keramer och glaser är alltså beroende av en nationell forskningsinfrastruktur. Under 5 10 års sikt täcks mycket av behovet vad avser synkrotronljus och neutronstrålning i det som anges i Vetenskapsrådets guide till infrastrukturen (sid 48 51). Vad planeringen för MAX-IV 5 (synkrotronljus) saknas ett dedicerat XRD-strålrör. Funktionen SAXS/WAXS borde samtidigt prioriteras högre. Det är viktigt att MAX IV:s utökning till hård röntgenstrålning inte minskar tillgängligheten av mjukröntgen. Hårdröntgen tillgås genom det svenska strålröret vid PETRA III i Hamburg eller vid ESRF eller APS. För neutronstrålning genom ESS uppmuntras svenska forskargrupper och företag att ta på sig utvecklingsuppdrag. Svenska forskare behöver under byggtiden få tillgång till utländska neutronkällor och flera forskare lära sig tekniken. Det saknas i ovan nämnda guide och i kompletteringsdokumentet 2010-08-25 en strategi för elektronmikroskopi som nationell angelägen resurs (infrastruktur). US Department of Energy genomför samtidigt en plan för att placera komplementära instrument på amerikanska institut. Elektronmikroskopi är ett styrkeområde för Sverige. Det karakteriseras av kapitalintensiva investeringar, behov av extremt vibrationsfria och elektromagnetiskt skärmade byggnader samt långtidstränad expertis. Vetenskapsrådet skrev i sitt propositionsunderlag för 2005 2008 att bland annat infrastruktursatsningar för infrastrukturen runt elektronmikroskop är viktiga 6. Tekniken har sub-å- och sub-ev-upplösning och är ett nödvändigt och oslagbart verktyg för att verifiera strukturer. 5 Prioritetslistan och beskrivningar i KAW-ansökan (827_2010_189_Ansökan_till_KAW.pdf) 6 VR-NT, Kunskap om vår värld ger kunskap för utveckling forskningsfronter inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Sid 95 och 101 ang. Elektronmikroskopi.
Et nätverk ARTEMI skapades 2010 för att koordinera de större mikroskopiinstallationerna i Sverige. En skrivelse i ärendet har ställts till RFI. Kostnaderna för instrumentavskrivningar och träning av beam-line specialists är minst 75 miljoner kronor/år.