Je leest:

Siliceen: de nieuwe concurrent van grafeen?

Siliceen: de nieuwe concurrent van grafeen?

Auteur: | 11 mei 2012

Kan siliceen, een atoomdik laagje silicium, de concurrentie aangaan met grafeen in toekomstige, snelle computerchips? Dat is de vraag nu meerdere onderzoekslabs melden dit nieuwe materiaal te hebben gemaakt. Er is echter een probleempje: de onderzoekers ruziën over wie nu echt de eerste uitvinder ervan was.

Snap je waarom grafeen ook wel ‘nanokippengaas’ wordt genoemd?

Siliceen kun je ‘het kleine broertje’ van grafeen noemen. Net als grafeen is siliceen een enkel laagje atomen, alleen bestaat grafeen volledig uit koolstof en siliceen – het is te raden – uit silicium. Toch is de structuur die de atomen vormen bijna hetzelfde: een honingraatstructuur (’kippengaas’) waarbij het er bij siliceen iets meer samengeperst uitziet. Het grote verschil tussen de twee? Grafeen staat sinds 2004 volop in de schijnwerpers en van siliceen heeft bijna niemand nog gehoord. Maar hoe lang blijft dat nog zo?

Kansen voor siliceen

De bijzondere eigenschappen van grafeen – goede geleiding, dun, flexibel – maken het tot een interessant alternatief voor het huidige materiaal in computerchips, silicium. Onderdelen op computerchips worden steeds kleiner en afmetingen van enkele atomen komen in zicht. Aan het huidige silicium zit een limiet; op een gegeven moment kan het niet kleiner. Grafeen zou, omdat het uit enkele atomen bestaat, die lijn naar kleinere en snellere elektronica kunnen doortrekken.

De samengedrukte structuur van siliceen zorgt ervoor dat een deel van de elektronen iets hoger gepositioneerd zijn dan de anderen. De elektronen kunnen ‘switchen’ tussen deze twee posities, wat het aan- en uitschakelen van de stroom mogelijk maakt.
Wikimedia Commons

Het probleem is echter dat de computerindustrie momenteel volledig is afgestemd op de verwerking van silicium. Fabrikanten zouden makkelijker op siliceen over kunnen gaan. Het is immers een nieuwe vorm van silicium, dus je hoeft aan de industrie en de elektronica minder te veranderen als bij grafeen. Het materiaal lijkt verder op grafeen, ook al is nu nog niet duidelijk of siliceen net zo goed geleidt als grafeen.

Siliceen heeft nog een voordeel boven grafeen. De structuur van siliceen is zo dat sommige atomen zich net boven of onder het tweedimensionale atoomrooster bevinden. De elektronen die bij deze atomen horen hebben ook een net iets andere energie dan het gros in de ‘hoofdplak’.

Dat geeft de mogelijkheid om aan de hand van een elektrische spanning elektronen heen en weer te laten springen tussen de twee energietoestanden en zo een aan- (wel geleiding) en een uitstand (geen geleiding) te creëren. In grafeen kan de geleiding niet zomaar stopgezet worden. Men zoekt naarstig naar – soms omslachtige – oplossingen om de elektrische stroom door grafeen tóch aan en uit te kunnen zetten. Siliceen is daarmee op papier meer geschikt voor toepassing in computerchips, waar deze eigenschap van groot belang is.

Experimenteel bewijs

Tot zover de theorie, nu naar de praktijk. Siliceen is onlangs voor het eerst in een onderzoekslab gemaakt. Het bestaan van siliceen was al in 1994 voorspeld. Dat wil zeggen: men had uitgerekend dat een enkele laag silicium stabiel kan zijn. Maar omdat siliceen van nature niet voorkomt, heeft het even geduurd voordat wetenschappers een manier vonden om het materiaal te maken.

Een Franse onderzoeksgroep van de Universiteit van Aix-Marseille onder leiding van Guy Le Lay zegt het eerste experimentele bewijs van siliceen te hebben. Ze publiceren binnenkort een artikel in het blad Physical Review Letters. Ze lieten het siliceen met een zogeheten epitaxie-methode ‘groeien’ op een onderlaag van zilver. Dat wil zeggen: in vacuüm en bij hoge temperatuur slaan de siliciumatomen neer op het zilver en vormen een stabiele laag. Ze zijn niet de enige: ook in China en Japan zijn onderzoekers erin geslaagd siliceen op zilver te laten groeien, hoewel hiervan nog geen wetenschappelijke publicaties zijn.

Onterechte claim

Maar is de groep van Le Lay echt het eerst, zoals ze zeggen? In 2010 claimde een andere onderzoeksgroep van Aix-Marseille, onder leiding van Bernard Aufray, al siliceen gemaakt te hebben. Hoe zit dat? Volgens de groep van de recente vondst – van Le Lay – was de claim uit 2010 niet terecht. Het team van Aufray had zich destijds slechts gebaseerd op afbeeldingen van een scanning tunneling microscope (STM). Onvoldoende bewijs, vinden Le Lay en co.

Volgens hen zijn zulke afbeeldingen moeilijk te interpreteren. Het is bijvoorbeeld lastig onderscheid te maken tussen de siliciumatomen en het onderliggende zilver. De gevonden honingraatstructuur had zodoende ook van het zilver kunnen zijn. Daarnaast kwamen een aantal eigenschappen van dit ‘siliceen’, zoals de vermeende afstand tussen siliciumatomen, verdacht weinig overeen met de theorie.

Het ‘2012-siliceen’ onder de STM-microscoop. De honingraatstructuur is met een beetje moeite waarneembaar.
Guy Le Lay et al.

Siliceen moet zich bewijzen

De groep van Le Lay heeft nu op meerdere manieren de eigenschappen gemeten aan het siliceen, en die komen ook nog eens beter overeen met de theorie.

Abdelkader Kara, een teamlid van het onderzoek uit 2010, geeft tegen de website Inside Science toe dat de nieuwe resultaten van Le Lay weliswaar overtuigender bewijs vormen voor siliceen, maar weigert toe te geven dat hun claim onterecht was. Volgens hem wezen hun afbeeldingen wel degelijk ondubbelzinnig op siliceen.

Michel Houssa van de Katholieke Universiteit Leuven – die bij geen van beide onderzoeken was betrokken – is van mening dat het recente onderzoek het eerste échte bewijs van siliceen geeft, zegt hij tegen het blad New Scientist.

Hoe het ook zij, voorlopig zal siliceen zich eerst moeten bewijzen. De volgende stap is nu om siliceen te maken bovenop een niet-geleidend materiaal (zilver geleidt wel). Dat maakt het namelijk mogelijk om de geleidende eigenschappen van siliceen te meten. Dan zal duidelijk worden of siliceen een geduchte concurrent van grafeen kan worden in toekomstige computerchips, of dat het altijd het kleine broertje zal blijven.

Bronnen:

  • G. Le Lay e.a., Silicene: Compelling experimental evidence for graphenelike twodimensional silicon, Physical Review Letters (geaccepteerd op 6 maart 2012)
  • B. Aufray e.a., Epitaxial growth of a silicene sheet, Applied Physics Letters (2 december 2010) DOI:10.1063/1.3524215

Lees meer over computerchips op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/computerchip.atom", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 mei 2012

Discussieer mee

0

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

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.