Je leest:

Weg lijkt vrij voor grafeenchips

Weg lijkt vrij voor grafeenchips

Auteur: | 3 februari 2012

Het ‘wondermateriaal’ grafeen lijkt zijn naam in elektronica waar te gaan maken. Een team van de Universiteit van Manchester, onder wie Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstantin Novoselov, slaagde erin voor het eerst een transistor van grafeen te maken die geschikt is voor toepassing in computerchips. Dat schrijven ze deze week in het tijdschrift Science.

Grafeen in het kort

Grafeen is de dunste koolstoflaag mogelijk, van slechts één atoom dik. Meerdere laagjes grafeen op elkaar geeft grafiet, waar bijvoorbeeld je potloodpunt uit bestaat. Grafeen is sterk, licht, doorzichtig, flexibel en geleidt elektriciteit goed. Het lijkt daarom geschikt voor uiteenlopende toepassingen, zoals touchscreens, zonnecellen of zeer gevoelige sensors.

De Leidse natuurkundige Carlo Beenakker vergeleek grafeen ooit eens met een veelbelovend paard dat je moet weten te temmen. Hij doelde daarmee op de snelle en wild bewegende elektronen die door het atoomdunne laagje koolstof heen vliegen.

Om computerchips van grafeen te kunnen maken, dien je de wilde elektronen op de een of andere manier onder controle te krijgen. Het lijkt erop dat na jarenlang proberen het team van Geim en Novoselov hierin geslaagd is.

Energiekloof ontbreekt

Het snelle en wilde gedrag van elektronen zorgt natuurlijk voor een geweldig goede geleiding. Sinds het moment in 2004 dat Geim en Novoselov voor het eerst grafeen lospeuterden – waarvoor ze vorig jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde kregen – dromen wetenschappers van een nieuwe generatie computerchips op basis van grafeen. De goede geleiding biedt kansen voor snellere en kleinere computerchips.

Andre Geim en Konstantin Novoselov werken nog altijd aan het materiaal dat hun wereldfaam bracht.

Maar zoals Beenakker al aangaf, dien je dat wilde elektrongedrag dan wel te kunnen beteugelen. Waarom?

Een computer doet berekeningen door de elektrische stroom in schakelingen op de computerchip aan te passen. Transistoren fungeren als poorten in de schakelingen: ze zetten waar nodig de stroom aan of uit.

Het probleem van grafeen is dat de elektronen niet willen stoppen met bewegen. Een transistor van grafeen kan dus normaal gesproken niet ‘uit’. Om in natuurkundige termen te spreken: grafeen heeft geen band gap.

Deze eigenschap van halfgeleiders staat voor de energiekloof die elektronen moeten overbruggen voordat ze gaan bewegen (lees: geleiden). Is de toegevoegde energie (lees: spanning) aan een materiaal te laag, dan komen de elektronen niet in beweging. Een transistor maakt hiervan gebruik. Door de spanning laag genoeg te maken bewegen de elektronen niet en is de schakeling uit. Een transistor van grafeen moet dus op een andere manier zorgen dat de stroom uitgezet kan worden.

Condensator

In de afgelopen jaren zijn talloze pogingen gedaan om kunstmatig een band gap in grafeen te creëren door bijvoorbeeld obstakels op het grafeenoppervlak aan te brengen als nanobubbels, nanoribbels of quantum dots. Maar deze aanpassingen hebben altijd een desastreus effect op de geleiding.

Zo ziet een condensator er normaal gesproken uit. In het geval van de transistor speelt grafeen de rol van de twee platen en boornitride of molybdeensulfide de rol van isolerend materiaal (of diëlektricum).

De groep van Geim heeft het nu anders aangepakt. Ze hebben geen transistor gemaakt van puur grafeen, maar een combinatie van grafeen met een isolerend materiaal, boornitride of molybdeensulfide.

Hun transistor bestaat uit een dunne plak isolerend boornitride of molybdeensulfide ‘gesandwiched’ tussen twee grafeenlaagjes. Het is in feite een condensator, maar dan een quantummechanische variant.

Tussen de twee geleidende platen van een ‘normale’ condensator loopt geen stroom, maar in dit geval kunnen door een quantummechanisch effect toch wat elektronen van de ene grafeenlaag, door het isolerend materiaal heen, naar de andere grafeenlaag sijpelen. ‘Tunneling’ noemt men dat in natuurkundig jargon.

De geleiding loopt nu dus eens niet over een grafeenoppervlak, maar tussen twee grafeenlagen. Het team zag dat door de spanning over de grafeenlagen te variëren, de ‘tunnelstroom’ voldoende aan- en uitgezet kon worden om te kunnen spreken van een transistor. “Hoewel het verschil in stroom tussen ‘aan’ en ‘uit’ nog niet groot genoeg is”, laat de Nijmeegse hoogleraar Mikhail Katsnelson weten. Hij werkte vanuit Nederland mee aan het onderzoek.

De Nijmeegse hoogleraar Mikhail Katsnelson publiceert regelmatig in het toonaangevende tijdschrift Science. Hij werkt nog altijd veel samen met Andre Geim en Konstantin Novoselov.

Weg is vrij

Of je als isolerend materiaal boornitride of molybdeensulfide gebruikt heeft invloed op deze ‘on/off-ratio’, zoals dat heet. Het is nog een lange weg naar het evenaren van silicium op dit punt, maar dat is volgens Katsnelson een kwestie van tijd.

“Eerst was het probleem van een grafeentransistor wetenschappelijk van aard: hoe maak je een transistor? Nu we het principe gedemonstreerd hebben, blijft een technologisch probleem wat betreft de keuze van de isolerende materialen en het verbeteren van de kwaliteit hiervan over.”

Katsnelson heeft als theoreticus vooral bijgedragen door een model op te stellen voor de transistor en de eigenschappen voor te rekenen. Een aantal jaar geleden bij een eerdere poging om tot een transistor te komen was hij nog terughoudend over de toekomst van grafeenchips. Dat is nu wel anders. “In mijn optiek staat niets grafeenchips nog in de weg. Dit kon wel eens de doorbraak zijn waar we al een aantal jaar op wachten.”

Bron:

  • L. Brittnell e.a., Field-Effect Tunneling Transistor Based on Vertical Graphene Heterostructures, Science (3 februari 2012) DOI:10.1126/science.1218461

De laatste artikelen over grafeen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/grafeen.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 februari 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.