We leven met silicium in het stenen tijdperk van de elektronica. De toekomst is aan een vorm van koolstof die grafeen heet.

“We naderen met silicium de grens van wat mogelijk is,” zegt Walter de Heer, een Nederlandse natuurkundige van het Georgia Institute of Technology. “Nog zo’n tien jaar en dan gaat miniaturisering niet verder. Microprocessors worden door de hoge resistiviteit van silicium steeds heter en wanneer je silicium elementen nog kleiner maakt dan ze nu al zijn worden ze instabiel. Verder hebben we met 100 gigahertz wel de hoogste frequentie bereikt die met silicium mogelijk is.”

Intel, IBM en anderen zijn geobsedeerd door steeds snellere processors. Ze moeten innoveren: wanneer ze niet ieder jaar met snellere chips komen lopen hun klanten weg naar producenten die de chips niet sneller maar wel goedkoper maken. Omdat de grens in zicht is van wat met silicium mogelijk is, kijken de koplopers in de halfgeleidersindustrie uit naar een alternatief en dat is koolstof in de vorm van grafeen. De Heer: “Over 50 jaar zal men de siliciumperiode beschouwen als het stenen tijdperk van de elektronica.”

Atomen als in een honingraat

Grafeen bestaat uit één enkele laag koolstofatomen, een tweedimensionaal kristal waarin de atomen zijn gerangschikt als in een honingraat. Het grafiet van een potloodpunt is niets anders dan duizenden op elkaar gestapelde lagen grafeen. Grafeen is het sterkste materiaal dat ooit is gemeten, 200 keer zo sterk als staal. Een belangrijkere eigenschap is echter dat elektronen zich met ongekende snelheid door het materiaal bewegen. In de jaren negentig van de vorige eeuw onderzocht Walter de Heer aan het Georgia Institute of Technology de mogelijkheid koolstofnanobuisjes te gebruiken voor elektronische toepassingen. “Elektronen bewegen op kamertemperatuur enorm snel door die nanobuisjes,” zegt de Heer. ‘Het bleek echter technisch zo goed als onmogelijk er elektronische elementen van te maken omdat nanobuisjes zeer moeilijk met elkaar te verbinden zijn.”

Koolstofnanobuisjes zijn in feite keurige rolletjes van grafeen. Walter de Heer besloot daarom in 2001 de nanobuisjes in te ruilen voor tweedimensionaal grafeen. Zijn groep van het Georgia Institute of Technology maakte epitaxiaal grafeen door silicium-carbide te verhitten tot circa 1500 graden Celsius. ‘Silicium verdampt waardoor er een enkele laag grafeen op het oppervlakte van het kristal achterblijft,’ zegt de Heer. In 2003 vroeg hij als eerste patenten aan op het maken van elektronische componenten van grafeen. Grafeen heeft (net als koolstof) nanobuisjes een eigenschap die ballistische conductie wordt genoemd. Elektronen kunnen grote afstanden door het materiaal afleggen zonder ergens tegen aan te botsen waardoor ze weinig energie verliezen. Verder is grafeen sterk én hittebestendig en dat betekent dat je het zonder beschadigingen kunt blootstellen aan zeer hoge spanningen en aan allerlei industriële processen. Daarnaast zijn met grafeen veel hogere schakelfrekwenties mogelijk als met silicium.

De hausse in het grafeen-onderzoek kwam echt op gang toen in 2004 de Engelsman Andre Geim met veel bombarie aankondigde dat hij grafeen had ‘ontdekt.’ Dat was een beetje aanmatigend omdat de Duitse chemicus Hans Boehm al in 1962 grafeen in een oplossing had geïsoleerd. Het was wel zeer curieus dat Geim grafeen maakte door grafiet laagje voor laagje af te pellen met een rolletje plakband van een paar euro. Volgens de Heer is deze methode nu minder relevant omdat het met de ‘scott’s tape methode’ niet mogelijk is grote hoeveelheden grafeen van hoge kwaliteit te produceren.

Obstakels

Het belangrijkste obstakel om grafeen te gebruiken als halfgeleider is dat een vel twee-dimensionaal grafeen geen band-gap heeft. Die band-gap (de verboden zone van energieniveaus waarin geen elektronen aanwezig zijn) is noodzakelijk voor het maken van aan-uit transistors. Het lukte de Heer en zijn collega’s echter band-gap te maken door grafeen in zeer dunne linten (ribbons) te snijden die niet meer dan een paar nanometer breed zijn. De Heer: “De band-gap van zo’n grafeen ribbon is gelijk aan 1 electron-volt gedeeld door de breedte van het lint in nanometers.” Dat het überhaupt mogelijk is band-gap te creëren in grafeen komt omdat de elektronen zich in dit materiaal gedragen als lichtdeeltjes. Hun snelheid is onafhankelijk van hun energieniveau en daardoor altijd constant. Andere onderzoekers zijn erin geslaagd band-gap te maken in grafeen door scheikundige bewerking (bijvoorbeeld door het toevoegen van stikstof), door het plaatsen van de grafeen in een elektromagnetisch veld of door stukjes grafeen op te rekken. Omdat met grafeen schakelsnelheden tot 1000 gigaherz mogelijk zijn, zal het reeds over een jaar of vijf opduiken in analoge transistors voor geavanceerde systemen voor radar, communicatie en beeldvorming (imaging). In februari presenteerde IBM een radio-frequency transistor van (epitaxiaal) grafeen met een schakelsnelheid van 100 gigahertz. Deze transistor bestaat uit een metalen gate (lengte 240 nanometer), een polymere isolator en een channel van grafeen. Een silicium transistor schakelt bij dezelfde gate-lengte niet sneller dan 20 gigahertz.

Het zal volgens de Heer nog wel een jaar of tien duren voordat digitale transistors van grafeen opduiken in computers. Het is ook bij grafeen nog een tour de force om stabiele structuren te maken van 10 nanometer en kleiner. De Heer: “Ik denk dat je eerst hybride computers zult zien waarin standaard cmos-chips samenwerken met grafeen voor bijvoorbeeld supersnelle geheugenprocessors.” Computers die helemaal gebaseerd zijn op grafeen verwacht de Heer (geboren 1950) in zijn leven niet mee te maken.

Teake Zuidema