Onderzoekers hebben voor het eerst een functionele halfgeleider gemaakt van grafeen. Dit kan leiden tot betere en efficiëntere computerchips.

Onderzoekers hebben voor het eerst een werkende, schaalbare halfgeleider gemaakt van grafeen. Dit resultaat, gepubliceerd in Nature, kan de weg vrijmaken voor een computerchip die sneller en efficiënter is dan de huidige siliciumchips.

Grafeen is een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen. Het materiaal is sterker dan staal en zeer goed bestand tegen hitte en zure stoffen. Ook is grafeen een extreem goede elektrische geleider.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Dankzij deze eigenschappen is grafeen in theorie uitermate geschikt om een halfgeleider van te maken. Dat is een materiaal dat elektriciteit naar believen wel of niet kan geleiden. Halfgeleiders zijn een essentieel onderdeel van computerchips.

Bandkloof

Tot dusver hadden wetenschappers echter nog geen werkende halfgeleider van grafeen gemaakt. Het probleem is het ontbreken van een zogeheten bandkloof. Halfgeleiders bevatten banden van hogere en lagere energieën en daartussen een gebied – de bandkloof – waar aangeslagen elektronen van de ene naar de andere band kunnen springen. Dit maakt het mogelijk om de stroom aan en uit te zetten, zodat het materiaal ofwel geleidend ofwel niet-geleidend wordt. Daardoor ontstaat het binaire systeem van nullen en enen waar computers op draaien.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat grafeen zich op kleine schaal kan gedragen als een halfgeleider. Rimpels, bobbels en gaten in grafeenvellen kunnen namelijk ongewone effecten op de elektrische stroom hebben. Door het juiste landschap van gebreken te creëren, kun je halfgeleiders van grafeen maken. Deze techniek is tot nu toe echter nooit opgeschaald tot een formaat waarbij een computerchip tot de mogelijkheden behoort.

Snelweg

Nu hebben natuurkundige Walter de Heer van de Georgia Tech-universiteit in Atlanta en zijn collega’s grafeen met een bandkloof gemaakt. Ook hebben ze een werkende transistor gedemonstreerd. Dat is een aan/uit-schakelaar die voorkomt of juist toestaat dat ergens stroom doorheen gaat.

grafeen halfgeleider
De grafeenhalfgeleider, op een chip met een siliciumcarbidesubstraat. Beeld: Georgia Institute of Technology.

De nieuwe methode kan wellicht beter opgeschaald worden dan eerder voorgestelde methoden om een grafeenhalfgeleider te maken. De onderzoekers gebruiken namelijk dezelfde technieken als waarmee siliciumchips gemaakt worden. Ze verhitten dunne plakken – zogeheten wafers – van siliciumcarbide. Daardoor verdampt het silicium en blijft er een laag grafeen over.

Volgens De Heer zijn de elektrische eigenschappen van een grafeenhalfgeleider veel beter dan die van siliciumchips. ‘Het is als rijden op een snelweg in plaats van op een grindweg’, zei hij in een persbericht.

Wet van Moore

Siliciumchips zijn goedkoop om te maken en worden wereldwijd ondersteund door een enorme productie-infrastructuur. We naderen echter de grenzen van wat deze chips kunnen presteren.

Volgens de ‘wet van Moore’ verdubbelt het aantal transistors in een circuit ongeveer elke twee jaar, maar de snelheid van miniaturisatie is de laatste jaren afgenomen, omdat ingenieurs circuitdichtheden bereiken waarbij elektronen niet meer betrouwbaar kunnen worden aangestuurd. Grafeencircuits zouden de vooruitgang nieuw leven kunnen inblazen, al zijn er nog obstakels te overwinnen.

Op de top van de berg

‘Het feit dat ze wafers gebruiken is belangrijk, omdat die techniek echt schaalbaar is’, zegt informaticus David Carey van de Universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk. ‘Je kunt alle technologie gebruiken waarmee de hele halfgeleiderindustrie vertrouwd is om dit proces op te schalen.’

Carey verwacht echter niet dat de wereld snel van silicium- op grafeenchips zal overschakelen. Het nieuwe onderzoek heeft volgens hem nog veel verfijning nodig op het gebied van transistorgrootte, kwaliteit en productietechnieken. Daarnaast heeft silicium een enorme voorsprong, stelt hij.

‘De meeste mensen die aan silicium werken, worden dagelijks overstelpt door nieuwe, geweldige materialen die zogenaamd op het punt staan silicium te vervangen. Niets daarvan is ooit gebeurd’, zegt Carey. ‘Als je met silicium werkt, zit je tevreden op de top van de berg. Ik kan me nog niet voorstellen dat ik mijn laptop ga vervangen door een apparaat dat draait op grafeen.’