Grafeen als halfgeleider: kan het silicium vervangen?
technologie: Het halfgeleidergrafeen presteert beter dan silicium
Experts hebben voor het eerst een functionele halfgeleider uit grafeen geproduceerd. Dit heeft voordelen ten opzichte van silicium, maar er moeten nog enkele hindernissen worden overwonnen voordat het zijn weg vindt naar toepassing.
© Dr_Microbe / Getty Images / iStock (details)
Grafeen wordt sinds de ontdekking ervan in 2004 beschouwd als een wondermateriaal. Kan het aan de verwachtingen voldoen als onderdeel van nieuwe typen computerchips?
Al onze elektronische apparaten zijn gebaseerd op silicium. Het element is een natuurlijke halfgeleider, wat betekent dat het kan bepalen of het silicium elektriciteit geleidt of niet. Deze eigenschap is essentieel voor het ontwerp van componenten zoals transistors. Hoe meer er op computerchips kunnen worden geïnstalleerd, hoe krachtiger de apparaten worden. Maar we kunnen binnenkort de limiet bereiken: Het zal binnenkort niet meer mogelijk zijn om de afmetingen van componenten op siliconenbasis te verkleinen. Daarom wordt er gezocht naar alternatieve halfgeleiders waarmee circuits kunnen worden bediend.
Een onderzoeksgroep onder leiding van natuurkundige Walter de Heer van het Georgia Institute of Technology en zijn collega Jian Zhao van de Tianjin Universiteit Dit blijkt uit een onderzoek dat op 3 januari 2024 in het tijdschrift ‘Nature’ is gepubliceerdZe hebben nu voor het eerst een halfgeleider van grafeen ontwikkeld die een tien keer grotere mobiliteit heeft dan silicium. Dit laatste betekent dat elektronen veel sneller door het materiaal bewegen en dus snellere berekeningen mogelijk maken. “Het is alsof je op een snelweg rijdt, en niet op een onverharde weg.” Dat zegt De Heer in een persbericht. “Grafeen is efficiënter, warmt minder op en maakt hogere snelheden mogelijk.”
© Georgia Institute of Technology (details)
Grafeen halfgeleider De halfgeleider van de onderzoeksgroep bevindt zich op een substraat van siliciumcarbide.
Grafeen is een stabiel tweedimensionaal materiaal dat voor het eerst werd gemaakt in 2004. Het is een enkele laag grafiet, dat wil zeggen een hexagonaal rooster gemaakt van koolstofatomen. Omdat grafeen tweedimensionaal is, heeft het verbazingwekkende eigenschappen. Daarom ontstond er al snel een echte buzz rond het materiaal. Maar de veelgeprezen wondertoepassingen laten al lang op zich wachten. Behalen op grafeen gebaseerde halfgeleiders nu de langverwachte doorbraak?
Jarenlange inspanningen werden beloond
In zijn gebruikelijke vorm is grafeen geen halfgeleider. Alleen door een specifiek productieproces kan de gewenste elektronische structuur worden verkregen. Om dit te doen moet grafeen verrijkt worden op een substraat van siliciumcarbide. Door de combinatie met siliciumatomen in het substraat wordt grafeen een halfgeleider.
© Georgia Institute of Technology (details)
Inductieoven | De gepatenteerde inductieoven van Walter de Heer kan grafeen produceren op siliciumcarbide.
Dit was al in 2008 bekend. Deze procedure maakte het echter niet mogelijk om halfgeleiders van voldoende grootte te produceren, zoals vereist voor elektronische toepassingen. Bovendien moet de halfgeleiderstructuur verwerkbaar zijn zonder zijn elektronische eigenschappen te verliezen. De Heer en zijn onderzoeksteam werkten tien jaar aan het probleem totdat ze een oplossing vonden: ze plaatsten twee lagen siliciumcarbide op elkaar en verhitten deze, waardoor de koolstofatomen smelten en de grafeenlaag ontstond. De resulterende structuur bleek een uiterst stabiele halfgeleider te zijn met verbazingwekkende mobiliteit. “Het is een extreem sterk materiaal dat zeer grote stromen kan weerstaan zonder op te warmen of uiteen te vallen.” aldus De Heer.
Maar toen de onderzoekers de grafeenhalfgeleider in een transistor bouwden, ontdekten ze dat de mobiliteit veel lager was: hij was ongeveer 200 keer zwakker dan die van een geïsoleerde halfgeleider. De Heer en zijn collega's vermoeden dat andere materialen die in de transistor worden gebruikt hiervoor verantwoordelijk zijn, omdat ze niet zijn aangepast aan grafeen. Maar het team is optimistisch: “Het verbeteren van de metaalcontacten en de kwaliteit van de isolatielaag zal de prestaties van de componenten aanzienlijk verbeteren.” Dat schrijft hij in zijn bericht.
Sta Javascript toe om de volledige functionaliteit van Spektrum.de te behouden.