Epigrafeenchips (afb: gatech.edu)
Het zou onderzoeksters voor het eerst gelukt zijn om geïntegreerde circuits (ic’s of ‘chips’) te maken van grafeen, een verschijningsvorm van koolstof (naast, bijvoorbeeld grafiet en diamant). Die al jaren als uiterst veelzijdig en veelbeloven gepresenteerde koolstofvorm zou, in combinatie met silicium, de ic’s zo’n tien keer sneller maken dan de huidige kiezelchips en twintig keer sneller dan ic’s van tweedimensionale halfgeleiders. Daar worden die chips niet alleen sneller van, maar warmen ook minder snel op en moeten dus minder gekoeld worden. Kortom: veelbelovend.
Kiezel (silicium is de zondagse naam) is nu voor chips hét halfgeleidermateriaal. Zoals bij alle halfgeleidermateriaal is daarbij de bandkloof de leidende eigenschap. In normale toestand zijn de elektronen van halfgeleiders stevig gebonden aan de (positieve) kernen en kunnen zich niet vrij bewegen (want geen geleiders). Als je aan die halfgeleiders energie toevoegt (in de vorm van warmte, spanning of licht) kan die bandkloof door de ‘opgehitste’ elektronen oversprongen worden en ontstaat dus een geleider.
Al tientallen jaren worden de elektronicaonderdelen steeds kleiner (wie herinnert zich nog het Megachipproject van Philips en Siemens in de jaren 80?) en dan loopt de kiezeltechniek tegen zijn grenzen aan. Zo wordt koeling van elektronische systemen een steeds groter en energievretender probleem. Grafeen wordt als goede kandidaat gezien als opvolger van silicium: dat is een atoomlaag dik, flexibel en vreselijk stabiel, maar is geen halfgeleider en heeft (dus) geen bandkloof (koolstof is een vrij goede geleider).
Dus gingen Jian Zhao van de Tianjinuniversiteit en haar collega’s op zoek naar een manier om grafeen die te ‘bezorgen’. Dat kan, zo bleek uit eerder onderzoek, door de bewegingsvrijheid van de elektronen in het grafeen te beperken, door, onder meer, kleine repen grafeen te gebruiken.
De resultaten van die pogingen waren echter wisselend en dus zochten Zhao en de haren naar een deugdelijker alternatief. Ze kwamen uit op twee dunne plaatjes van siliciumcarbide (een verbinding van koolstof en kiezel: SiC), waarvan de ene kant vrijwel louter uit silicium bestaat en de andere uit koolstofatomen.
Die plaatjes werden zo op elkaar gelegd dat de siliciumkant de koolstofkant bedekt. Vervolgens worden die plaatjes onder een argonatmosfeer (argon is een edelgas, gebruikt om te voorkomen dat het siliciumcarbide met vreemde elementen reageert) en verhit tot 1600°C.
In feite vormt zich dan een grafeenlaag op silicium. Zhao: “Die koolstoflaag heeft de kristalstructuur van grafeen, maar is covalent gebonden aan silicium.” Daardoor krijgt het materiaal een bandkloof van 0,6 elektronvolt. De bandkloof van wat de onderzoeksters epigrafeen noemen is half zo groot als van silicium en ligt in de buurt van germanium (die is 0,65 eV), een andere bekende halfgeleider. Dat betekent dat er minder energie nodig is om de elektronen van epigrafeen ‘in beweging’ te krijgen (en dus een halfgeleider te maken) dan voor silicium.
Goed genoeg?
Dat is allemaal leuk en aardig, maar levert dat een praktisch alternatief op dat goed genoeg is om silicium te vervangen? Dat bleek dik in orde. Bij kamertemperatuur bleek de aangeslagen (onder ‘stroom’ gezette) epigrafeenhalfgeleider een elektronenmobiliteit te hebben van 5000 cm2 per Voltseconde. Die waarde geeft aan hoe makkelijk elektronen door het materiaal bewegen.
Die mobiliteit is tien keer hoger dan in silicium en twintig keer zo hoog als bij andere tweedimensionale halfgeleiders. “Dat is een snelweg in vergelijking met een grindpad”, zegt hoofdauteur Walt de Heer van het technologisch instituut van Georgia (VS). Hij ziet deze ontwikkeling als een nieuwe mijlpaal in de ontwikkeling van elektronica die vergelijkbaar is met de prestaties van de gebroeders Wright in de vlieggeschiedenis in het begin van de twintigste eeuw.
Bron: scinexx.de