Het grafeenapparaat van het team, gegroeid op een substraatchip van siliciumcarbide
Georgia Instituut van Technologie
Er is voor het eerst een werkende, schaalbare halfgeleider gemaakt van grafeen, die mogelijk de weg vrijmaakt voor een nieuw type computer met grotere snelheid en efficiëntie dan de huidige siliciumchips.
Grafeen is een materiaal gemaakt uit een enkele laag koolstofatomen dat sterker is dan staal in vergelijkbare diktes. Het is een extreem goede elektrische geleider en is zeer goed bestand tegen hitte en zuren. Maar ondanks de voordelen ervan is een werkende grafeenhalfgeleider, die kan worden bestuurd om elektriciteit naar believen te geleiden of te isoleren, wetenschappers ontgaan. Dergelijke halfgeleiders zijn de sleutel tot het creëren van de logica-chips die computers aandrijven.
Het probleem was het ontbreken van een zogenaamde bandgap. Halfgeleiders hebben banden met hogere en lagere energieën en een punt – de opening – waar geëxciteerde elektronen van de een naar de ander kunnen springen. Hierdoor kan de stroom effectief worden in- en uitgeschakeld, zodat deze geleidt of niet geleidt, waardoor het binaire systeem van nullen en enen ontstaat dat in digitale computers wordt gebruikt.
Hoewel eerder onderzoek heeft aangetoond dat grafeen op kleine schaal als halfgeleider kan fungeren, is het nooit opgeschaald tot een formaat dat een praktische computerchip zou vormen. Eerder werk heeft aangetoond dat rimpels, koepels en gaten in grafeenplaten ongebruikelijke effecten kunnen hebben op de elektrische stroom, waardoor de mogelijkheid ontstaat dat logica-chips kunnen worden gemaakt door een echt landschap van defecten te creëren. Maar tot nu toe is er niets toegenomen.
Nu hebben Walter de Heer van Georgia Tech in Atlanta en zijn collega’s grafeen met gaten gemaakt en zelfs een werkende transistor gedemonstreerd, een aan/uit-schakelaar die de stroom verhindert of doorlaat. Hun proces zou meer vatbaar moeten zijn voor schaalvergroting, omdat het afhankelijk is van technieken die niet veel verschillen van de technieken die worden gebruikt om siliciumchips te maken.
De Heer’s groep gebruikte wafels van siliciumcarbide die werden verwarmd, waardoor het silicium vóór de koolstof moest verdampen, waardoor er feitelijk een laag grafeen bovenop bleef. De Heer was op het moment van schrijven niet beschikbaar voor een interview, maar zegt in een verklaring dat de elektrische eigenschappen van de grafeenhalfgeleider veel beter zijn dan die van siliciumchips. “Het is alsof je op een onverharde weg rijdt in plaats van op de snelweg”, zei hij.
Siliciumchips zijn goedkoop te produceren en worden wereldwijd ondersteund door een enorme productie-infrastructuur, maar we bereiken de grenzen van wat deze chips kunnen doen. De wet van Moore stelt dat het aantal transistors in een circuit grofweg elke twee jaar zal verdubbelen, maar het tempo van de miniaturisatie is de afgelopen jaren afgenomen omdat ingenieurs circuitdichtheden bereiken waarboven elektronen niet betrouwbaar kunnen worden gecontroleerd. Grafeencircuits kunnen de vooruitgang bevorderen, maar er blijven hindernissen bestaan.
“Het feit dat ze wafers gebruiken is belangrijk omdat het echt schaalbaar is”, zegt David Carey van de Universiteit van Surrey, VK. “Je kunt elke technologie gebruiken waar de hele halfgeleiderindustrie zich volledig prettig bij voelt om dit proces op te schalen.”
Maar Carey is sceptisch dat de ontwikkeling betekent dat de wereld binnenkort zal overstappen van silicium naar grafeenchips, zowel omdat het nieuwe onderzoek veel verfijning nodig heeft in termen van transistorgrootte, kwaliteit en productietechnieken, als omdat silicium zo’n voordeel heeft.
“De meeste mensen die aan silicium werken, worden elke dag gebombardeerd met nieuwe, prachtige materialen die het binnenkort zullen vervangen, en dat gebeurt nooit”, zegt hij. “Als je een siliciummens bent, zit je heel gelukkig bovenop een berg. Het idee dat ik mijn laptop ga vervangen door grafeen is er nog niet.”
Onderwerpen: