Na silicium: transistoren zonder halfgeleiders

"Met de snelheid van de huidige ontwikkelingen is het over tien tot twintig jaar niet mogelijk om transistoren nog verder te verkleinen", voorspelt fysicus Yoke Khin Yap van de Michigan Technological University. "Halfgeleiders hebben nog een ander nadeel: ze verspillen veel energie in de vorm van wamte."

Nieuw elektronicatijdperk

Wetenschappers experimenteren daarom al met verschillende materialen en ontwerpen voor transistoren, maar daarbij gebruikten ze altijd halfgeleidermaterialen, zoals silicium.  In 2007 wilde Yap wat anders proberen, om de deur te openen naar een nieuw elektronicatijdperk.

"Het idee was om een transistor te maken met een isolator op nanoschaal, en met nanoschaal metalen er bovenop", zegt hij. "In principe zou je om de schakelingen te maken een stukje plastic kunnen nemen en daarop een handvol metaalpoeders uitspreiden – als je dat goed doet. Maar wij probeerden het op nanoschaal te doen, dus wij kozen een nanoschaal isolator, boronnitride nanobuisjes of BNNT’s, als substraat."

Yap’s team had uitgezocht hoe je virtuele tapijten van BNNT’s, kunt maken, die goed isoleren en dus resistent voor elektrische lading. Met lasers plaatsten ze 3 nm grote kwantumdots (QD’s) van goud op de toppen van de BNNT’s, om zo QD’s-BNNT’s te vormen. BNNT’s zijn het perfecte substraat voor deze kwantumdots, dank zij hun geringe, beheersbare en uniforme diameters en omdat ze van nature isoleren.

In samenwerking met wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) vuurden ze bij kamertemperatuur elektronen af op elektroden aan beide zijden van de QD’s-BNNT’s en toen gebeurde iets interessants. Elektronen sprongen heel precies van dot naar dot, een fenomeen dat bekend staat als kwantum-tunneling.

Rivier

"Stel je voor dat de nanobuisjes een rivier zijn, met een elektrode op elke oever. En stel je dan voor dat er een paar kleine ‘stepping stones’ in de rivier zouden liggen", zegt Yap. "De elektronen sprongen van gouden steen naar gouden steen. En de stenen zijn zo klein, dat er maar één elektron tegelijk op kan staan. Elk elektron neemt dezelfde weg, dus het systeem is altijd stabiel."

Yap’s team had het kanaal van een transistor gemaakt zonder halfgeleider. Als een voldoende hoge spanning werd aangelegd, schakelde hij naar een geleidende toestand. Als de spanning laag, of afwezig was, keerde hij terug naar zijn natuurlijke toestand als isolator. Bovendien was er geen lekstroom: er verdwenen geen elektronen van de dots in de isolerende BNNT’s, zodat het tunneling-kanaal koel bleef. Silicium daarentegen ondervindt wel lek, waardoor energie wordt verspild in elektronische schakelingen en veel warmte wordt gegenereerd.

Vloeibare helium

Ook andere mensen hebben transistoren gemaakt op basis van kwantum-tunneling, zegt John Jaszczak, fysicus op Michigan Tech, die het theoretische werk voor het onderzoek van Yap had verricht. Maar deze componenten werkten alleen onder condities dei de gemiddelde gebruiker van een mobieltje zouden ontmoedigen:  "Zij doen het alleen bij vloeibare-helium temperaturen", aldus Jaszczak.

Het geheim achter de goud-en-nanobuis-component van Yap schuilt in de microsopische afmetingen: een micrometer lang en ongeveer 20 nanometer breed. "De gouden eilandjes moeten enkele nanometers groot zijn om de elektronen bij kamertemperatuur te beheersen", zegt Jaszczak. "Als ze te groot zijn kunnen er te veel elektronen vloeien". In dit geval geldt: kleiner is beter. "Werken met nanobuisjes en kwantumdots brengt je op de schaal die je wilt hebben voor elektronicacomponenten".

"In theorie kunnen deze tunnelingkanalen worden geminiaturiseerd tot virtueel een dimensie van nul, als de afstand tussen de elektroden wordt gereduceerd tot een kleine fractie van een micrometer", stelt Yap. Hij heeft een internationaal octrooi aangevraagd op de technologie.

Het werk van de groep is beschreven in het artikel "Room Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots" dat is gepubliceerd in Advanced Materials. Co-auteurs naast Yap en Jaszczak, zijn onder andere researcher Dongyan Zhang, postdoctoraal onderzoekers Chee Huei Lee en Jiesheng Wang, en de studenten Madhusudan A. Savaikar, Boyi Hao, en Douglas Banyai van Michigan Tech; Shengyong Qin, Kendal W. Clark en An-Ping Li van het Center for Nanophase Materials Sciences bij ORNL; en Juan-Carlos Idrobo van het Materials Science and Technology Division van ORNL.