Een zichzelf assemblerende transistor

Ivar Pel

Ivar Pel

Organische halfgeleiders zijn opgebouwd uit koolstofverbindingen, zoals polymeren. Polymeren kun je, anders dan het harde en brosse silicium dat vaak toegepast wordt, buigen als een boterhamzakje, en de elektrische transporteigenschappen kun je gemakkelijk beïnvloeden door de chemische structuur te veranderen. Dat maakt organische halfgeleiders bij uitstek geschikt voor toepassingen waarbij grote oppervlakken met halfgeleiders bedekt moeten worden (bijvoorbeeld zonnepanelen of lichtgevende panelen), of waarbij je halfgeleiders op goedkope ondergrond wilt aanbrengen, zoals glas of plastic.

Voor grootschalige marktintroductie van organische halfgeleiders moeten wel eerst twee vraagstukken worden opgelost, namelijk de beperkte stabiliteit (organische materialen verliezen in de loop van de tijd hun werking) en de moeilijke verwerkingsmethoden op grote oppervlakken. In 2006 begon Simon Mathijssen na zijn studie toegepaste natuurkunde aan de TU Eindhoven zich met deze twee vragen bezig te houden.

Vervagen

Het was voor Mathijssen een logische voortzetting van zijn afstudeeropdracht bij een onderzoeksgroep bij Philips Research. Tijdens zijn afstuderen had hij een aantal organische transistoren op in de laboratoria van Philips op stabiliteit onderzocht. Wat men bij deze transistoren nog niet goed begrijpt, is waarom de ‘aan’-stroom geleidelijk afneemt. Daardoor vervaagt bijvoorbeeld een beeldpunt in een beeldscherm.

“Het proces hangt erg van de omgevingsfactoren af. Als je het in vacuüm meet, is het afnemen van de stroom in de orde van dagen; in lucht gemeten is het een kwestie van minuten” stelt Mathijssen. “Ik heb de factoren die het proces beïnvloeden in kaart gebracht, zoals de temperatuur, de soort halfgeleider, het omringende gas waarin je meet en de luchtvochtigheid.”

Snel succes

Daarna waren er een heleboel meetgegevens voorhanden, en het doel van het promotieonderzoek was om daar nieuwe inzichten uit te halen. “Tijdens mijn studie was het nooit in me opgekomen om te promoveren, maar ik vond het heel leuk om te doen, en ik vond de mensen, de groep en het onderzoek interessant. Het was een heel geleidelijke overgang.”

Meteen in het eerste jaar werden de beoogde promotieresultaten eigenlijk al bereikt. Er werd een nieuwe meetopstelling gemaakt, waarbij de verdeling van elektrische lading in een organische transistor met een atoomkrachtmicroscoop (AFM) in kaart kon worden gebracht.

No Small Matter, Felice Frankel

Atoomkrachtmicroscoop

Bij een Atomic Force Miscroscope (AFM) staat een minuscule naald net op het oppervlakte van het monster. Vervolgens wordt het oppervlak opzij getrokken, waardoor de naald vanzelf omhoog komt als hij een atoom tegenkomt. “>> Lees meer over microscopen in het Kennislink-artikel ‘Kijken op nanoniveau’”:/publicaties/kijken-op-nanoniveau

Mathijssen: “Je kunt die lading zien als een rivier, waar je soms ophopingen hebt, en waar sommige stromen sneller gaan dan andere. Dat was in Nederland nog nooit gemeten — in Amerika en in Cambridge hebben ze ook een apparaat waarmee je dit kunt meten, maar de onderzoekers daar hebben zich niet op de problemen gericht die wij wilden onderzoeken.”

Radicale plannen

Omdat het eerste jaar zo succesvol was, besloot Mathijssen om nog meer de diepte in te duiken. “Dat was echt het idee: laten we maar iets radicaal nieuws proberen. Als het mislukt, dan hebben we toch al voldoende resultaten voor een goede promotie.”

Het radicale was zelf-geassembleerde elektronica, dat is het idee dat alle componenten waar een transistor uit is opgebouwd zichzelf vormgeven door het rangschikken van atomen. Het idee voor zelf-geassembleerde elektronica bestaat al sinds 1976, maar is nog nooit in de realiteit omgezet. “Bij ons was er al een sluimerende onderzoeksactiviteit gaande, en toen ik dat bekeek, dacht ik: ja, daar kan ik iets bijdragen en ga ik aan werken! Samen met een andere promovendus hebben we daar mooie resultaten kunnen bereiken.”

Doordat organische halfgeleiders zijn opgebouwd uit koolstofverbindingen, kun je ze goed buigen. Dat maakt de halfgeleiders uitermate geschikt voor flexibele toepassingen.

Ivar Pel

Ivar Pel

Een transistor bestaat uit drie lagen: gate (poort), diëlektricum en halfgeleider. “In de literatuur werd beschreven dat men gates zichzelf kan laten assembleren. Bij het diëlektricum net zo. Maar halfgeleiders, dat lukte niet. Die moeten namelijk ladingen transporteren. En de snelheid van die ladingen bepalen de uiteindelijke efficiëntie van de transistor. Een hoge snelheid wordt alleen behaald als de moleculen die op het diëlektricum staan, netjes tegen elkaar aanstaan.”

Bouwstenen verzamelen

Het onderzoek begon met het selecteren van een geschikt molecuul. Dat zou goed moeten pakken, goed moeten ankeren op het diëlektricum en goed ladingsdragers moeten geleiden. “Om die eigenschappen allemaal te verenigen in één molecuul, dan moet er een nieuw molecuul worden ontworpen. Daarvoor werkte onze groep nauw samen met een onderzoeksgroep in Moskou. Bij Philips werkten ze al tien jaar samen met die mensen. Samen zochten we naar geschikte moleculen die vervolgens in Moskou gemaakt werden. In Eindhoven werden daarna de transistoren gemaakt en de elektrische eigenschappen getest. Zo vonden we uiteindelijk de juiste bouwstenen.”

Het zoekproces was een gestuurde trial-and-errormethode, waarbij stelselmatig iedere eigenschap van het molecuul werd gevarieerd en daarna gemeten. “Achteraf weet je heel precies wat voor molecuul je had moeten hebben. Maar als je aan het begin van je onderzoekstraject staat, dan zijn er heel veel mogelijkheden.”

Ivar Pel

Dankzij de uitgebreide onderzoeksinfrastructuur bij Philips en de TU/e lukte het om het beste molecuul uit de verschillende ontwerpen te selecteren. Het resultaat mocht zich laten zien. De eerste metingen waren hoopvol. Het gevonden molecuul kon een universele bouwsteen voor zelf-geassembleerde elektronica worden, maar was de elektrische geleiding ook goed genoeg?

Van één naar meer

“We hebben toen een eerste transistor gemaakt, een Self-assembled monolayer field-effect transistor, kortweg SAMFET. Die baarde internationaal opzien. We schreven meerdere wetenschappelijke artikelen per jaar. Dat is een kwestie van veel samenwerken en volhouden. Je krijgt je manuscript wel twee of drie keer terug van de referees, en dan moet je een hele waslijst aan dingen veranderen. Toch ging het voorspoedig met de publicaties — één artikel verscheen zelfs in Nature.”

Maar, één transistor maakt nog geen functioneel systeem. Nadat het was gelukt om een transistor zichzelf te laten assembleren moest het dus nog lukken om een logisch schakelcircuit te maken. “We gingen toen kijken hoe we driehonderd transistoren konden laten samenwerken om een bepaald outputsignaal te krijgen. Dat zou het bewijs zijn dat we met deze methode logische circuits kunnen maken.” En ook dat lukte. Er werd een 15-bit codegenerator gemaakt, waarin honderden SAMFETs tegelijkertijd worden geadresseerd.

Op dit moment werkt Mathijssen bij ASML, aan een heel ander onderwerp. “Ik had vijf jaar in de organische elektronica gezeten, ik wilde graag verder kijken. In plaats van elektronica doe ik nu vooral optica. Ik zit in de researchafdeling, en we proberen nieuwe concepten te verzinnen voor lithografiemachines.”

Hier zie (globaal) hoe optische lithografie werkt. Een lichtbron schijnt door een grote versie van het patroon (een masker) en vervolgens door een lens. Hierdoor verkleint het patroon, zodat het op chip-formaat op de plaat met geleidermateriaal terecht komt.

“Ook al is de inhoud heel anders, het opbouwen van het onderzoek is hetzelfde, dat heb ik tijdens mijn promotie goed onder de knie gekregen. Een van de belangrijkste dingen vind ik het vinden van de juiste mensen om je heen. Het is heel moeilijk om in je eentje goed onderzoek op te bouwen.”

Het promotieonderzoek van Simon Mathijssen is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van Technologiestichting STW.

Meer over elektrotechniek op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/transistor/elektrotechniek/index.atom?m=of", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}