Ultieme chip

De nanoschakelingen die verschillende onderzoekers ontwikkelden, vormen pas een chip als ze onderling zijn verbonden.

Ook al zijn de mogelijkheden van de conventionele microelektronica nog lang niet uitgeput en blijken computers almaar sneller te kunnen rekenen, toch stoppen grote bedrijven als IBM, Hewlett Packard en Lucent veel geld in het ontwikkelen van de volgende generatie nanochips. Daarnaast wordt ook gewerkt aan wat de `ultieme chip' moet gaan worden op basis van moleculaire elektronica: computerchips waarin alle componenten, zoals transistors, bestaan uit afzonderlijke moleculen. De afgelopen maanden is er op dit gebied opvallende vooruitgang geboekt. Uitgaande van verschillende moleculen wisten onderzoekers de eerste moleculaire logische schakelingen in elkaar te zetten. Dit soort simpele elektronische circuits vormt de basis voor al onze huidige computers.

Cees Dekker en zijn groep aan de Technische Universiteit Delft maakten gebruik van buckybuisjes, langgerekte koolstofmoleculen. Drie jaar geleden toonden ze ook als eersten aan dat deze organische halfgeleiders zich gedragen als een moleculaire transistor. Feitelijk is dat niets anders dan een schakelaar die met behulp van een elektrische spanning kan worden geregeld. Als ze open staan, loopt er geen stroom, maar wanneer er aan de poort-elektrode een kleine spanning wordt aangelegd, veranderen de elektrische eigenschappen en kan er opeens wél een stroom lopen.

In de eerste serie experimenten waren de buckybuisjes `neergelegd' op een siliciumoppervlak, dat daarmee tegelijk dienst deed als poort-elektrode. Dat betekende echter wel dat individuele buisjes niet afzonderlijk konden worden geschakeld. Zodra er een spanning werd aangelegd, gingen ze allemaal open of dicht. Een ander nadeel was dat de spanning die nodig was om de transistor te laten schakelen groter was dan de spanning die ermee werd aangedreven. Bij elke schakeling wordt het signaal dus zwakker, wat niet echt praktisch is: de kracht van de componenten op een chip is juist dat de output van de ene kan worden gebruikt om de volgende aan te sturen.

Beide problemen zijn nu ondervangen door met lithografische technieken, zoals die gebruikt worden om `klassieke' computerchips te maken, een patroon van aluminiumlijntjes op een siliciumoppervlak aan te brengen. Doordat er zich via een chemische reactie met de lucht direct een dun oxidelaagje op het aluminium vormt, kunnen deze aluminiumlijntjes gebruikt worden als poortelektrode. Zo kunnen verschillende buisjes onafhankelijk van elkaar worden aangestuurd. Bovendien is het oxidelaagje zo dun dat het schakelen veel efficiënter gaat en er een versterking met meer dan een factor tien kon worden bereikt (Science, 9 nov.). Met dit soort simpele bouwstenen wisten de Delftenaren allerlei logische bewerkingen uit te voeren. Van één buckybuis werd bijvoorbeeld een inverter gemaakt, een elektronische component die een 0 in een 1 omzet en omgekeerd. Twee van deze inverters vormden samen een eenvoudig geheugen. Ook een groep van het laboratorium van IBM in Yorktown Heights was daar overigens al in geslaagd (Nano Letters, 12 sept.).

kruiselings

Tegelijkertijd waren natuurkundigen van de universiteit van Harvard aan het werk met nanodraadjes van halfgeleiders als silicium en galliumnitride. Ook deze tien tot twintig nanometer dikke draadjes kunnen gebruikt worden om nano-transistors van te maken. Daartoe worden ze kruiselings over elkaar heen gelegd en op het kruispunt even verhit, zodat zich daar een dun oxidelaagje vormt. Met een aantal van deze bouwstenen konden schakelingen worden gemaakt en kon er zelfs gerekend worden (Science, 9 nov.).

Hoe mooi dit soort experimenten ook zijn, echt praktisch zijn ze nog niet. Het valt namelijk niet mee om dit soort langgerekte structuren met moleculaire precisie neer te leggen, zeker niet als er uiteindelijk op een chip een paar miljard moeten komen. Daarom doen Jan Hendrik Schön en zijn collega's van Bell Laboratories het anders. Zij laten de moleculaire componenten zichzelf in elkaar zetten (Nature, 18 okt. en Sciencexpress, 8 nov.). Daarvoor maken ze gebruik van moleculen die aan twee kanten zijn voorzien van zwavelatomen. Omdat deze een grote voorliefde hebben voor goud, gaan de moleculen overal waar een dun laagje goud is opgedampt daar spontaan rechtop in staan. Zo ontstaat een laagje van precies één molecuul dik. Het geheel wordt vervolgens afgedekt met een tweede goudlaagje. Een opstaand siliciumrandje doet aan de zijkant dienst als poortelektrode, waarmee de transistor compleet is. Omdat het laagje zo dun is kan er heel snel mee geschakeld worden, terwijl ook de versterkingsfactor aanzienlijk is. Ook Schön zette met dit soort transistors een aantal eenvoudige componenten in elkaar, waaronder een inverter.

Toch betekent het op moleculaire schaal verkleinen van transistors en deze inbouwen in eenvoudige schakelingen niet dat de moleculaire computer nu daadwerkelijk gebouwd kan worden. Eerst moeten er nog technieken komen om de afzonderlijke moleculaire componenten met elkaar te verbinden. Maar dat vier verschillende groepen er vrijwel gelijktijdig in zijn geslaagd een werkende moleculaire chip te bouwen op basis van totaal verschillende moleculen, biedt hoop.

    • Rob van den Berg