24/02/2017
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van de Universität Bayreuth hebben samen met Amerikaanse en Poolse partners een tweedimensionaal materiaal ontwikkeld, dat een revolutie zou kunnen betekenen in de elektronica.
Halfgeleiders zo dun als atomen zijn geen toekomstmuziek meer. De ontdekking van grafeen zorgde in 2004 voor een wetenschappelijke doorbraak. Het nieuwe materiaal omvat koolstof, boor en stikstof en heeft als chemische naam hexagonaal boor-koolstof-stikstof (h-BCN). Op grond van zijn halfgeleidereigenschappen zou het nieuwe materiaal voor hi-tech toepassingen beter geschikt zijn dan grafeen.
Nieuwe halfgeleider
De ontwikkeling kan dienen als uitgangspunt voor een nieuwe generatie elektronische transistoren, schakelingen en sensoren, die een veelvoud kleiner en buigzamer zijn dan de huidige elektronische componenten. Zoals het er naar uitziet maken ze een duidelijke vermindering van het stroomverbruik mogelijk.
De onderzoekers verwijzen daarbij naar de huidige in de elektronica overheersende CMOS-technologie. Aan deze technologie zijn er duidelijke grenzen aan de verdere miniaturisering. Om deze barrière te slechten, is h-BCN volgens de onderzoekers uit Bayreuth beter geschikt dan grafeen, ofschoon het op dezelfde manier is gestructureerd.
Grafeen is een rooster uit koolstofatomen die maar in één vlak (dus in twee dimensies) met elkaar zijn verbonden. Het rooster is daarom net zo dun als een enkel atoom. Toen deze structuur na haar ontdekking nauwkeuriger werd onderzocht, maakte vooral de enorme stabiliteit wereldwijd enthousiasme los.
Grafeen is honderd tot driehonderd maal sterker dan staal en tegelijkertijd een uitstekende geleider voor warmte en elektriciteit. Maar de elektronen lopen bij elke willekeurige elektrische spanning ongehinderd door elkaar, zodat er geen gedefinieerde toestand van 'aan' of 'uit' is. Daarom is grafeen niet geschikt voor elektronische componenten. Hiervoor zijn halfgeleiders nodig, omdat alleen deze een schakelbare toestanden van 'aan' en 'uit' kunnen garanderen.
Koolstofatomen vervangen
De onderzoekers hadden daarom het idee om afzonderlijke koolstofatomen in het grafeen te vervangen door boor en stikstof. Dat gebeurde zodanig dat een tweedimensionaal rooster met de eigenschappen van een halfgeleider ontstaat.
In een team met wetenschappers aan de University of Nebraska-Lincoln hebben ze dit doen kunnen bereiken. Onderzoekspartners aan de Universiteit van Krakow en aan de State University of New York, Boston College en Tufts University in Massachusetts hebben eveneens bijgedragen aan het succesvol onderzoek. (foto: Axel Enders)