Je leest:

Geleidende nanobuisjes aan basis moleculaire elektronica

Geleidende nanobuisjes aan basis moleculaire elektronica

Auteur:

Prof. dr. Cees Dekker van de Technische Universiteit Delft is één van de winnaars van de Spinozapremie 2003, uitgereikt door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek. Hij krijgt 1,5 miljoen euro, vrij te besteden aan zijn onderzoek, onder andere voor zijn werk in de nanotechnologie, met name voor het pionierswerk op het gebied van de moleculaire elektronica met nanobuisjes.

In de nanotechnologie draait het om het waarnemen, bestuderen en manipuleren van individuele atomen en moleculen. De verwachting is dat deze wetenschap op de vierkante nanometer (een miljoenste millimeter) tot doorbraken zal leiden op allerlei gebied, van materiaalkunde tot geneeskunde. Op het gebied van de elektronica zou dit tot extreem kleine en krachtige computers kunnen leiden.

Nano-elektronica begint met nano-geleiding en op dat gebied heeft de Delftse onderzoeksgroep van prof.dr. Cees Dekker zijn sporen verdiend. De universitair technologen bestuderen koolstof nanobuisjes die werden ontwikkeld na de ontdekking van de buckybal, het voetbal-achtige molecuul opgebouwd uit een netwerk van koolstofatomen. De buisjes die ze in Delft maken en bestuderen zijn langgerekte varianten met een doorsnede van ongeveer een nanometer en een lengte van een duizendste tot een tiende millimeter.

De nanobuisjes zijn in feite enkelvoudige moleculen, die zich vrij gemakkelijk laten hanteren. Ze zijn zeer relevant voor de studie van elektrische geleiding op moleculaire schaal omdat ze halfgeleidend of zelfs metallisch geleidend gedrag kunnen vertonen. Daarnaast hebben ze bijzondere mechanische eigenschappen die hen tot het sterkste materiaal op deze aardbol maken.

Een koolstofnanobuis, weergegeven op basis van metingen met een scanning tunneling microscoop (STM). Illustratie DIMES/S

Aan het eind van de twintigste eeuw waren de Delftse onderzoekers met experimenten aan nanobuisjes de eersten ter wereld die elektrische geleiding in individuele moleculen konden meten. Niet lang daarna toonden ze aan dat een nanobuisje als moleculaire schakelaar kan dienen. Daarmee zetten ze een belangrijk stap op weg naar moleculaire elektronica.

In de eerste jaren van deze eeuw namen ze de geleidingseigenschappen van de nanobuisjes meer in detail onder de loep. Het lukte in 2001 om het transport van elektronen te beschrijven in termen van golffuncties. Het leverde prachtige plaatjes op van nanobuisjes waarop is aangegeven waar geleidingselektronen zich waarschijnlijk bevinden.

(Elektronen zijn, net zoals licht, als deeltje maar ook als elektromagnetische golf te beschouwen. In het laatste geval geeft de amplitude (hoogte) van de golf de waarschijnlijkheid weer dat een elektron op een bepaalde positie te vinden is. Elektronengolven hebben net zoals gewone golven een bepaalde bewegingsrichting en golflengte. In een hele kleine ruimte treedt tussen de elektronengolven interferentie op, waardoor staande golven ontstaan.)

Artistieke impressie van nanobuizen met daarop afgebeeld de golffuncties. De waarschijnlijkheid waarmee op een bepaalde plaats elektronen zijn aan te treffen wordt aangegeven door de hoogte van de pieken; de gebruikte kleuren benadrukken dat nog eens. De atomaire opbouw van een nanobuisje is hexagonaal, weergegeven met de ‘gaas’-achtige structuren. Duidelijk is te zien dat de periodiciteit van het golfpatroon anders is dan die van het atoomrooster. Op de voorgrond is een vergroting van de golffunctie-visualisatie te zien. Illustratie: Gripp Ontwerpen / TUDelft

Aan de hand van de golffuncties zijn belangrijke elektronische eigenschappen van de nanobuisjes te bepalen. Dat helpt bij het ‘ontwerpen’ van moleculaire elektronische schakelaars die aan de basis staan van de computers van de toekomst.

De onderzoekers onder leiding van Dekker slaagden er ook al in om nanobuisjes toe te passen in elementaire ‘moleculair elektronische’ schakelingen. Ze lieten zien dat allerlei elektronische functies ook met nanobuisjes zijn te realiseren. Zo bouwden ze een inverter, die een logische 0 in een logische 1 kan omzetten. Ook maakten ze een NOR schakelaar, waarbij twee buisjes parallel staan en alleen een 1 doorgeven als beide buisjes een 0 wordt aangeboden. In principe zijn nu alle andere elektronische functies (AND, OR, NAND, XOR etc.) ook met deze nano-elektronica te realiseren. Het wetenschappelijke tijdschrift Science riep het moleculaire elektronische onderzoek met nanobuizen, zoals ook uitgevoerd door de groep van Dekker, uit tot de meest aansprekende wetenschappelijke uitvinding van 2001.

Artistieke impressie van een logisch circuit opgebouwd uit nanotube-transistoren. Illustratie: Gripp Ontwerpen / TUDelft

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 augustus 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE