Delft (NL) – Delftse natuurkundigen bouwen met buisvormige koolstofmoleculen logische schakelingen. Wellicht maakt silicium in de computerindustrie ooit plaats voor koolstof.
Het onderzoek aan het elektrisch gedrag van nanobuizen levert razendsnel nieuwe resultaten op. Opnieuw publiceren Delftse natuurkundigen onder leiding van Cees Dekker in Science de voortgang van hun onderzoek. Ditmaal verbazen ze met de mededeling dat ze logische schakelingen hebben gebouwd. Science toont het artikel begin oktober zelfs al op de website, weken voordat het in het tijdschrift verschijnt.
In computers doen logische schakelingen het denkwerk. Ooit bouwden ingenieurs die schakelingen met vacuümbuizen, later soldeerden ze transistoren, condensatoren en weerstanden aaneen en tegenwoordig etsen ze die met lithografie in siliciumchips. Nanobuizen vormden een interessant uitgangspunt voor nog kleinere schakelingen. De geleiding van stroom door deze cilindervormige koolstofmoleculen blijkt namelijk beïnvloedbaar. De afgelopen jaren fabriceerden wetenschappers al diverse componenten, zoals moleculaire draden, dioden en transistoren. Nu bouwden Dekker en zijn medewerkers met die componenten werkende schakelingen.
De fabricage in het laboratorium begon met het aanbrengen van aluminiumdraden op een geoxideerd siliciumschijfje, met elektronenbundellithografie. Die draden vormen de poortelektroden voor de schakelingen. Bij contact met de lucht ontstond vanzelf een noodzakelijk isolerend oxidelaagje op het aluminium. Daarna verdeelden de onderzoekers de nanobuizen met een laser vanuit een dichloorethaanoplossing over het oppervlak. Met een atomic-force-microscoop zochten ze vervolgens geschikte nanobuizen op de juiste plekken op. Die koolstofbuizen hebben een doorsnede van ongeveer een nanometer, ofwel een miljardste meter. Ten slotte legden de onderzoekers met elektronenbundellithografie een patroon van gouden contactelektroden en verbindingsdraden aan op de nanobuizen.
Met een nanobuistransistor en een externe weerstand maakten de onderzoekers een inverter. Als die een ingangsspanning van –1,5 volt ontvangt, is de uitgangsspanning 0 volt, en andersom. Deze schakeling zet dus een digitale 1 om in een 0 en een 0 in een 1. Door de enkele transistor te vervangen door twee parallelle transistoren, verkregen de onderzoekers een NOR-poort. Die levert geen uitgangssignaal als op een of beide transistoren een ingangsspanning van –1,5 volt staat. Bij afwezigheid van een ingangsspanning op beide transistoren levert de poort juist wel een uitgangsspanning (–1,5 volt). Andere schakelingen, zoals de AND-poort of de OR-poort, zijn dan ook te maken. Een derde schakeling, het flipflopgeheugen, bestaat uit een combinatie van twee inverters. Die zijn onderling verbonden en kunnen, in digitale notatie, twee standen hebben, namelijk (1,0) en (0,1). In feite vormde deze schakeling een statische nanobuisgeheugenschakeling met twee-transistoren. Tenslotte vervaardigden de Delftenaren nog een ringoscillator met drie transistoren. Deze schakeling produceert een wisselstroomsignaal, in dit geval met een frequentie van vijf herz. Dat is nog lang niet zo snel als de snelheid waarmee processoren in moderne computers schakelen (Intel levert al processoren met een klokfrequentie van twee gigaherz). De onderzoekers zijn er echter van overtuigd dat ze deze frequentie vele malen kunnen opvoeren als ze in de toekomst de schakelingen en weerstanden op een chip kunnen vervaardigen.
Mogelijk bieden de unieke eigenschappen van de nanobuizen nog extra mogelijkheden voor de moleculaire elektronica. Zeer prettig is dat in de huidige opzet de schakelingen een signaal versterken. Daardoor is het uitgangssignaal van de ene transistor geschikt als input voor de volgende. In ieder geval is bewezen dat logische schakelingen met enkele moleculen kunnen worden gemaakt, een belangrijke stap.
