Paul van Gerven
8 April 2008

Sinds onderzoekers in André Geims laboratorium in Manchester de eerste laagjes grafiet uit elkaar trokken met een ordinair rolletje plakband, is de beer los. Technische media, ook de serieuze, roemen sindsdien de atoomdikke honingraatachtige koolstofverbinding als potentiële opvolger van silicium. Ook al weet iedereen dat een bewezen technologie zich niet van de ene dag op de andere laat verstoten, het is geen complete onzin.

Er is een fysische basis om in grafeen een ideale basis voor elektronica te zien. De mobiliteit van de ladingsdragers is stukken groter dan in silicium. Daardoor zouden transistoren sneller kunnen schakelen. Recent onderzoek van de University of Maryland heeft bijvoorbeeld aangetoond dat de elektronmobiliteit in monolagen van grafeen op silicium zo‘n 15 duizend vierkante centimeter per voltseconde bedraagt. En dan gooien vuiltjes nog roet in het eten. Met superzuiver grafeen op een beter substraat zou zelf 200 duizend vierkante centimeter per voltseconde mogelijk zijn.

Bovendien vertoont het elektrische gedrag een hele andere temperatuursafhankelijkheid dan traditionele halfgeleiders. Meestal zakt de mobiliteit van ladingsdragers naarmate de temperatuur stijgt. Dat komt – in een notendop – omdat ’warmere‘ atomen harder trillen en daarmee passerende deeltjes in de weg zitten. Bij grafeen is het anders, maar niet andersom. De weerstand blijkt nauwelijks af te hangen van de temperatuur. Daarom zouden transitoren op basis van dit materiaal minder koeling nodig hebben. Dat is geen onbelangrijk voordeel in een tijd dat processorfabrikanten op multicore overschakelen omdat excessieve warmteontwikkeling hen daartoe dwingt.

Bij het proclameren van de koolstoftoekomst laten onderzoekers en hun voorlichters echter meestal na te vertellen dat grafeen maken niet meevalt, laat staan om de plakjes op de gewenste plaats te krijgen. De plakbandmethode volstaat in het lab, maar er miljoenen, zo niet miljarden, transistoren op een chip proppen is andere koek.

 advertorial 

8-bit Microcontrollers Still Anchor the Majority of Embedded Designs Today

They are tiny, but vitally important. The market for 8-bit microcontrollers continues to grow strongly as a key part of the drive to digitalisation, highlighted by the current chip shortages. Read more about Microchip’s 8-bit devices.

De geschiedenis herhaalt zich. De koolstofnanobuis werd net als grafeen ooit binnengehaald als dé CMos-bouwsteen van de toekomst. Deze geluiden zijn enigszins gesmoord, of worden op zijn minst overschreeuwd door meer realistische toepassingen als de versteviging van papier en bouwmaterialen. De chipindustrie speelt wel met het idee om nanobuizen te gebruiken in interconnects, maar meer ook niet. Want ook de nanobuis is lastig in zuivere vorm te verkrijgen. Pas nu, jaren na de eerste exorbitante claims, beginnen chemiebedrijven te begrijpen hoe ze dat op ’grote‘ schaal kunnen doen. Grafeen moet een zelfde traject doorlopen.

Twee Amerikaanse onderzoeksgroepen gaven begin april een eerste aanzet in twee verschillende Nature-tijdschriften. Peter Sutter en collega‘s beschreven in Nature Materials over een gecontroleerde manier om grafeen te laten groeien op een ruthenium oppervlak. Ze maakten keurige monolagen van 200 micrometer lang en breed – niet onaardig. Ze zagen ook dat ze een tweede laag grafeen bovenop de eerste konden laten groeien. De toplaag gedroeg zich bijna als ’vrij‘ grafeen, waardoor zijn gunstige elektronische eigenschappen maximaal benut zouden kunnen worden.

De methode van Manish Chhowalla is nog wat ingenieuzer. Hij rept van grafeenoxide, een stabielere variant op grafeen die bijvoorbeeld in water oplost. Chhowalla en collega‘s ontdekten hoe zij uniforme lagen grafeenoxide gecontroleerd vanuit oplossing op een oppervlak konden deponeren, naar keuze een tot vijf lagen. Via een eenvoudige chemische transformatie zetten ze het oxide vervolgens om in grafeen. Door spincoaten, sproeien of zelfs printen zouden chipmakers zodoende grafeen op elk gewenst oppervlak kunnen leggen en er vervolgens lithografie op loslaten. Dát is nou substantiële vooruitgang, maar de media zullen er waarschijnlijk massaal over zwijgen.