Je leest:

De moleculaire printplaat

De moleculaire printplaat

Auteur: | 13 juli 2008

In de wereld van elektronische schakelingen draait bijna alles om miniaturisering. Het doel daarbij is het steeds kleiner maken van elektronische bouwstenen, zoals diodes en transistoren.

Hoe kleiner dit soort halfgeleidende elementen worden, hoe meer ervan op een chip passen. En naarmate er meer transistoren op een chip passen, kunnen deze ook meer functies uitvoeren, sneller worden, minder stroom verbruiken, en kan de prijs per transistor naar beneden. In een moderne Pentium-processor zitten bijna driehonderd miljoen transistoren op een schijfje silicium zo groot als een postzegel. Dat is tienduizend keer meer transistoren dan er in 1980 op een chip pasten.

dr. Christian Nijhuis Foto: Ivar Pel

Moleculen en atomen

Chipmakers slagen er tegenwoordig in om elektrische structuren te maken die rond de 30 nanometer groot zijn (een nanometer is een miljardste deel van een meter). Het onderzoek van Christian Nijhuis (1977) speelt zich af in deze met het oog onzichtbare wereld van nano-structuren. De uitdaging van zijn onderzoek ligt in het vinden van methodes waarmee men transistoren en elektrisch geleidende bedradingen kan maken die nog weer aanzienlijk kleiner zijn dan de structuren die men tegenwoordig op chips kan aanbrengen. Nijhuis: “Het uiteindelijke doel van ons vakgebied is, dat we structuren kunnen maken die nog maar enkele nanometers groot zijn. En dan zit je dus te praten over afmetingen die de bouwstenen van de natuur ook hebben: moleculen en atomen.”

In 2002 kwam Nijhuis na zijn studie scheikunde aan de Rijksuniversiteit Groningen terecht aan de Universiteit Twente. Nijhuis: “Dat was een hele overgang, om van chemisch onderzoek op het gebied van de synthese en reactiviteit van organische metalen over te stappen naar een vakgebied waarbij je plotseling te maken krijgt met dingen als de elektrische eigenschappen van moleculen. Er ging toen werkelijk een wereld voor mij open. Er is zoveel interessants te ontdekken aan moleculen en hoe je daaraan kunt meten en werken, dat je je hele leven eraan kunt wijden zonder ooit uitgekeken te raken”.

Foto: Ivar Pel

Kinderschoenen

Nijhuis ontdekte al meteen in de eerste weken van zijn onderzoek dat de moleculaire elektronica nog in de kinderschoenen stond. Dat het met elektrochemie mogelijk is om het aantal moleculen aan een oppervlakte direct te meten, en te zien hoe deze moleculen zich aan een ondergrond hechten, was iets dat hem vanaf het begin fascineerde. Nijhuis: “Ik was zo onder de indruk daarvan, dat ik de eerste jaren van mijn onderzoek wijdde aan het theoretische begrijpen van wat er elektrisch en chemisch gezien gebeurt als een molecuul zich aan een oppervlak hecht. Daarna kwam de vraag: wat kun je met die kennis? Het idee was toen om een soort printplaat met mole – culen te maken, dus elektrisch geleidende banen op een oppervlak te maken. En het liefst zo, dat de moleculen van zo’n elektrisch baantje zich zelf naar een bepaald raster gaan vormen. Op die manier hoef je niet elke molecuul een voor een op zijn plaats te zetten. Want uiteindelijk wil je naar een soort zelfassemblage, waarbij moleculen zichzelf op een manier ordenen die je graag wilt.”

Vertakkingen van een boom

De sleutel daarvoor, zo ontdekte Nijhuis, ligt in de voorbehandeling van het oppervlak waarop zich geleidende banen moeten hechten. Door op het oppervlak een laagje van gastheermoleculen aan te brengen, die maar één molecuul dik is, kunnen vervolgens gastmoleculen zich aan deze laag binden. Nijhuis: “Deze bindingen zijn zo interessant, omdat je de specifieke gastheer-gast-interacties door middel van elektrochemische methodes heel precies kunt controleren. Ik heb allerlei verschillende soorten gastmoleculen bekeken, en vastgesteld dat je de beste resultaten kunt krijgen met chemische verbindingen waarvan de structuur het meest lijkt op de vertakkingen van een boom. Dat noemen we dendrimeren (‘dendros’ in het Grieks betekent ‘boom’)”. Door de vertakkingen zo te vervormen dat zich een herhalend patroon vormt, lukte het Nijhuis een geschikte onderlaag voor een printplaat te creëren.

Foto: Ivar Pel

Maar hoe breng je daarna de elektrisch geleidende baantjes op zo’n onderlaag aan? Nijhuis probeerde allerlei methodes uit om moleculen op de onderlaag te kunnen laten hechten. Uiteindelijk bleek een soort moleculair stempel het beste te werken. Daarbij worden gastmoleculen op een miniatuur-stempel aangebracht. Daarna worden de moleculen met microcontactdruk, een soort stempeltechniek, op het oppervlak gedrukt. Nijhuis: “In de praktijk betekende dit dat ik heel veel tijd heb doorgebracht in het organisch lab. Dat is echt een laboratorium zoals je je dat van een chemicus voorstelt, met overal van die flesjes met vloeistoffen en pipetjes.”

Inmiddels doet Nijhuis zijn onderzoek in de Verenigde Staten, aan de universiteit van Harvard. Nijhuis: “Ik merk hier hoe belangrijk mijn ervaringen uit Enschede zijn: ik heb zowel de chemische kennis, en de ervaring met het elektrisch meten van moleculen. Dat is een combinatie die niet vaak voorkomt.” Nijhuis zit vol plannen voor nieuw onderzoek: “Ik verwacht dat er in ons vakgebied de komende jaren nog heel veel interessante ontdekkingen gaan plaatsvinden.” Hij lacht: “Maar voordat er een moleculaire Pentiumprocessor in de huiskamers staat, zijn we vast een jaar of vijfentwintig verder”.

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2007 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 juli 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.