Microchips met linten die een paar koolstofatomen breed zijn, zouden ons in staat kunnen stellen krachtige computers te bouwen die veel minder energie verbruiken dan de huidige exemplaren.
De efficiëntie van computers en smartphones is afhankelijk van hoe elektronen door transistors stromen. Normaal gesproken zijn die van silicium gemaakt. Er is al veel werk gestoken in het maken van transistors van koolstof, omdat dit element betere elektronische eigenschappen heeft. Tot nu toe bleek het echter een grote uitdaging om draadjes van koolstof te maken die elektronen van transistor naar transistor kunnen transporteren.
‘Net als bij de traditionele, op silicium gebaseerde architecturen die we nu gebruiken, zijn er bij op koolstof gebaseerde transistoren verbindingen nodig waarmee transistoren met elkaar of met andere componenten kunnen communiceren’, zegt scheikundige Felix Fischer van de Universiteit van Californië te Berkeley.
Fischer en zijn team hebben een manier ontwikkeld om nanolinten van grafeen – repen van koolstof die maar een paar atomen breed zijn – te veranderen in geleiders. Die kunnen dan gebruikt worden om op koolstof gebaseerde transistors met elkaar te verbinden.
Moeilijk te scheiden
De onderzoekers stelden hun nanolinten samen door eerst kleinere bouwsteentjes van grafeen te maken en die met elkaar te verbinden. Grafeen, een tweedimensionale vorm van koolstof, staat bekend om zijn exotische eigenschappen. ‘Onze moleculaire bottom-up-synthese van nanolinten van grafeen stelt ons in staat om een heel ongewone elektronische toestand te creëren’, zegt Fischer.
Eerdere pogingen om hetzelfde voor elkaar te krijgen door gebruik te maken van koolstof nanobuisjes hadden maar beperkt succes, zegt Fischer. ‘Je houdt altijd een complex mengsel over van halfgeleidende en metallische koolstof nanobuisjes dat ontzettend moeilijk te scheiden is. Dat is na meer dan twintig jaar onderzoek nog steeds een grote uitdaging.’
Een keer per maand opladen
De volgende stap is om schakelingen te bouwen die gebruikmaken van nanolinten van grafeen. Dan moet blijken of ze het daadwerkelijk beter doen dan de meest geavanceerde op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie. Als dat lukt, zegt Fischer, kunnen ze in de toekomst geïntegreerd worden in onze apparaten, zoals smartphones.
‘Denk eens aan de impact van een mobiele telefoon die net zo goed functioneert als de snelste desktopcomputers, maar die je maar eens per maand hoeft op te laden’, zegt hij.
Niet meer in te halen
Hoogleraar Bram Nauta, die aan de Universiteit Twente onderzoek doet naar computerchips, waarschuwt echter voor al te veel enthousiasme. ‘Bij dit soort onderzoek suggereren de onderzoekers al snel dat hun werk de chipindustrie gaat veranderen – en anders doet de PR-afdeling van hun instituut dat wel. Maar om te kunnen concurreren met CMOS, de huidige halfgeleidertechniek op chips van silicium, moet een nieuwe techniek beter én goedkoper zijn. En in de praktijk is CMOS op die punten niet meer in te halen. Van zulke chips kunnen we er miljoenen per dag produceren, met vele tientallen miljarden onderdelen per chip, die allemaal werken, tegen heel lage kosten.’
Nauta verwacht dan ook dat de techniek hooguit een van de vele onderdelen op een chip zal worden. Of er moet een andere toepassing voor gevonden worden. ‘Ze moeten iets kunnen wat met CMOS niet kan.’