'Grafeen is snelste alternatief voor silicium'

Het geleidend vermogen van grafeen is hoger dan van welk ander materiaal dan ook, hebben wetenschappers van de universiteit van Manchester vastgesteld. Volgens de onderzoekers is het materiaal de beste kandidaat voor toekomstige transistors.

De wetenschappers hebben gemeten dat de mobiliteit van elektronen bij grafeen op 200.000 vierkante centimeter per voltseconde ligt en dat is honderd keer zo hoog als bij silicium. Grafeen wordt gevormd door een monomoleculaire laag koolstofatomen, waarbij de atomen hexagonaal gerangschikt zijn. Stapels van dergelijke lagen vormen grafiet, maar sinds 2004 zijn wetenschappers ook in staat om losse lagen te produceren. "Grafeen vertoont de hoogste elektrische kwaliteit van alles wat ons bekend is. Het is het enige materiaal waarin elektronen bij kamertemperatuur zonder verstrooiing afstanden van enkele duizenden atoomdiktes kunnen afleggen", aldus Andre Geim, professor aan het Centre for Mesoscience and Nanotechnology bij de universiteit van Manchester.

Dat het geleidend vermogen van grafeen hoger is dan silicium was al langer bekend. Onderzoekers waren er ook al in geslaagd om transistors te ontwikkelen op basis van het materiaal. Geim en zijn collega's wisten echter niet, en hadden ook niet verwacht, dat het materiaal zoveel beter zou geleiden dan koolstof-nanobuisjes en de vorige recordhouder, indiumantimonide. De oplossing ligt in het zo zuiver mogelijk maken van het grafeen. Het geleidend vermogen wordt ook wel wat beperkt door oneffenheden in de hexagonale structuur, maar hier lijkt weinig tegen te doen.

Een voordeel ten opzichte van nanotubes, dat ook als kansrijke kandidaat wordt gezien om silicium op te volgen, is dat grafeen een platte laag is, zodat standaard halfgeleidertechnologie voor de verwerking gebruikt kan worden. Het is echter erg lastig om grote lagen grafeen aan grafiet te onttrekken. In het laboratorium gebruikten de wetenschappers eenvoudigweg plakband, maar die methode zal niet bruikbaar zijn voor de halfgeleiderindustrie, schrijft NewScientist. Geim verwacht desondanks dat binnen drie tot vijf jaar de eerste elektronica op basis van grafeen zal verschijnen.

Reacties (52)

[Malantur]

Als we ze vervangen, resulteert dit dan voor een kleiner process, lager energieverbruik of hogere kloksnelheden? (of nog iets anders?)

[A4-tje]

aangezien het materiaal beter geleid zal er minder lekspanning optreden waardoor de transistoren dichter op elkaar kunnen komen (in 3D!).
dus een vergelijkbare processor (aantal transistors/ MHertz/enz) in grafeen is kleiner dan die van cilicium.
maar aangezien de totale grootte van een chip niet geweldig veranderd is in de loop der jaren zal het dus een processor zijn/worden die sneller/energiezuiniger/multicapabel is.

het is dus een beetje een mix van alles wat nu eigenlijk ook al het geval is. (even snel maar zuiniger of sneller en even zuinig)

het is nu vooral zaak om te kijken of deze stof rendabel te produceren is. want als het duur als olie (goud is achterhaald ) is heeft het ook weinig zin.

[Reactie gewijzigd door A4-tje op 29 juli 2024 23:23]

[thunderbird2k]

Een heel kort stukje theorie een transistor (in CMOS vrijwel altijd FETs) is een versterkend element en afhankelijk van hoe je hem instelt kun je hem als schakelaar gebruiken. De wiskundige relaties waarmee je het gedrag van een mosfet kan beschrijven bevatten allemaal een parameter 'mobiliteit'. In de meeste vergelijkingen zoals bijvoorbeeld die van de drainstroom (uitgezet tegen alle instelspanningen) is de stroom rechtevenredig met de mobiliteit. Dus een 100x hogere mobiliteit zou betekenen een 100x zo grote stroom voor dezelfde transistorafmetingen.

MITS alle andere parameters die ook materiaalafhankelijk endergelijke gelijk zouden blijven (wat niet zo is), zou je wellicht 100x zo snelle transistoren (nMOSTen) kunnen maken. (je krijgt dan wel andere problemen, waardoor het weet niet uitvoerbaar is)

Ten tweede voor CMOS wat voor alle digitale circuits (dus ook je processor) gebruikt wordt heb je P en N mosfets. Voor het ene type is de mobiliteit van 'gaten' van belang en voor het andere type die van 'elektronen'. Meestal is de mobiliteit van gaten een factor 3 ofzo lager (je compenseert hiervoor in je ontwerp door 3x zo brede pMOSTen te gebruiken).

Het probleem is ze hebben de mobiliteit van elektronen verhoogd, maar als die van gaten ook niet 100x zo groot wordt, heb je er voor chips niet veel aan, omdat je beide transistoren nodig hebt voor elk digitaal component. (je kunt sommige componenten ook wel met enkel N of enkel P maken, maar dat is niet energiezuinig)

[webinn]

dat kan in alles resulteren, maar in eerste instantie zal het mogelijk zijn (lijkt me) om meer transistoren op dezelfde oppervlakte te krijgen.

Dat resulteert dus niet automatisch in snellere processoren, maar het geeft wel de aanzet tot.

[Reactie gewijzigd door webinn op 29 juli 2024 23:23]

[YopY]

wat leidt tot sneller processoren, een kleiner proces en lager energieverbruik: @malantur: ja dus.

[Reinstein]

@YopY

Verklaar je nader....

Kleiner transistoren zorgen voor kleiner CPU's (bij gelijkblijvend aantal transistoren).
Maar niet perse tot minder energie verbruik. Dit hangt o.a. af van:
- Schakel spanning
0.1 V meer spanning bij 70 A is wel 7 W !
- Schakel tijden
Tijdens het schakelen van 1 naar 0 of 0 naar 1 treed er meestal meer verlies op dan tijdens een stabiele toestand. Immers bij een gesloten schakelaar is de spanning over de schakelaar nagenoeg 0 V, bij een open schakelaar is de stroom nagenoeg 0 A
- Lek stroom
Door dat de transistoren zo dicht op elkaar zitten krijg je meer last van lek stromen, dit zijn stromen die niks nuttigs doen, maar wel energie kosten.
- Stuur stroom
Stuur stomen lopen op hun beurt weer door andere schakelaars heen, en daarin treed altijd weerstand op. I² * R = P dus hoe lager de stroom hoe beter.

Sneller hoeven zo ook niet perse te worden. Dit heeft natuurlijk deels met de architectuur van de CPU te maken. Maar als je puur naar GHz zou kijken dan ben je afhankelijk van de schakeltijden. Je kunt immens niet sneller als de tijd die het kost om een schakelaar om te zetten. Daarnaast krijg je nog last van weerstand en capaciteit. Hierdoor ontstaan laagdoorlaat filters in je CPU die ook de "het aantal GHz" beperken.

Nu wordt er in het artikel vermeld dat het geleidend vermogen hoger is dus ik vermoed dat je de schakeltijden wel kleiner worden....

[jab221]

Als door het toepassen van kleinere transistoren je chip kleiner wordt, neemt dus ook je interconnect af : de gates liggen eenvoudigweg dichter bij elkaar.
Minder interconnect betekent minder interconnect-delay (wat tegenwoordig voornamelijk de klokfrequentie van je deep-submicron IC bepaalt) en minder schakelverliezen (want de interconnect vormt een deel van de C die ont- of opgeladen wordt tijdens schakelen.

Wat mij echter niet duidelijk is, is waarom transistoren in grafeen opeens kleiner zouden zijn dan transistoren in silicium. Volgens mij worden de afmeting van transistoren over het algemeen bepaald door de structuurgroottes die je met je belichtingsapparatuur nog kunt halen; het belichtte materiaal doet daar volgens mij niet veel.

[i-chat]

das natuurlijk niet helemaal de enige beperkende factor, en aandere is, hoe heet bijv je "laser" mag en/of moet worden, - hoe dat precies zit kan ik moeilijk uitleggen, maar

ik kan me zo voorstellen dat hoe sterker je de laser bundeld hoe heter die mogelijk wordt (of juist niet????) - maar in ieder geval, als de ene zich met die kleine laser beter laat etsen dan de ander heb je al 't antwoord op je vraag...

[jab221]

De laser in een waferstepper wordt niet gebruikt om te etsen, maar om een fotogevoelige laag te belichten.

Als je wilt weten waar je het hier over hebt, kijk dan bijvoorbeeld eens op http://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_fabrication

[Verwijderd]

Alle 3, als ik het zo lees.

[bamboe]

en dan nog niet te vergeten de gratis isolatie door het plakband...

[kluyze]

vooral kleinere vertragingen, als ik me het goed herinner is het nu zo dat de grootste beperking zit in het feit dat een transitor in een ic de ingang van de volgende transistor moet opladen. aangezien je met een weerstand in de lijn er naartoe zit en een ingang die zich als een condensator gedraagt krijg je een tijdsconstante RC, als nu de R component kleiner word heb je dus een kleinere vertraging om de volgende poort te schakelen.

Als ik het me juist kan herinneren van tijdens de theorie lessen elektronica natuurlijk

[Verwijderd]

je zal waarschijnlijk FET bedoelen ipv transistor. de ingang van een transistor kan je immers niet opladen, er moet een continue basisstroom blijven vloeien (=stroomgestuurd). Bij een FET moet een minieme ingangscapaciteit worden opgeladen. (= spanningsgestuurd)

[Verwijderd]

FET = Field Effect Transistor, is dus ook gewoon een transistor. Met wat jij een transistor noemt bedoel je waarschijnlijk een bipolaire transistor. Maar het zijn allebei transistoren.

[mae-t.net]

De Veldeffecttransistor (FET) is het standaardelement in de meeste gangbare chips en wordt daarom gewoon afgekort tot transistor (een afkorting die in het spraakgebruik ook vaak gebruikt wordt voor de bipolaire transistor). En inderdaad is de gatecapaciteit een beperkende factor in de snelheid en het stroomverbruik. Als de transistor met behulp van grafeen kleiner kan worden, is de kans dus groot dat het ook lukt om hem sneller te maken, aangezien de 2 bovengenoemde beperkende factoren een kleinere rol gaan spelen.

[DarkJack]

kloksnelheid en energieverbuik zijn aan elkaar gelinkt (het zogenaamde speed-power product).

[_Thanatos_]

Nou, niet altijd. Eigenlijk alleen binnen 1 serie chips en zelfs dan nog met een onder- en bovengrens.

[elleP]

Zou het niet mogelijk moeten zijn om silicium ook in een grafeenstructuur te slaan?
Koolstof en silicium hebben nl. een redelijk vergelijkbare electronenconfiguratie in de buitenste schillen..

[Verwijderd]

Interessante vraag maar ik denk het niet. Ik kan me niet voorstellen dat dit niet al geprobeerd zou zijn. Onderzoek naar koolstofverbindingen dat begon met de buckybal en later koolstofnanotubes, grafeen en vergelijkbare materialen opleverde (grafeen is trouwens 'gewoon' een enkele grafietlaag) is erg moeizaam en duur. Pas in recentere jaren is het allemaal wat makkelijker gegaan. Als het ook met silicium mogelijk was geweest dan had men wel voor dat goedkopere materiaal gekozen.

Als silicium koolstof zou kunnen vervangen vanwege de vergelijkbare elektronen-configuratie dan hadden er wellicht ook levensvormen bestaan die silicium-gebaseerd zijn. Volgens de consensus is dat laatste niet mogelijk. Het lijkt er dus niet op dat beide elementen uitwisselbaar zijn.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 29 juli 2024 23:23]

[YopY]

Ik denk niet dat de geleidingsfactor van een materiaal bepaald wordt door de structuur. Daarnaast zal dit in de meeste gevallen waarschijnlijk ook niet mogelijk zijn, afhankelijk van de aanhechtingspunten van atomen beperkt zijn bij elk materiaal zoals aan ons uitgelegd werdt tijdens scheikunde.

[thunderbird2k]

De geleidingsfactor wordt in zeer belangrijke mate door de structuur bepaald. Voor een deel is het natuurlijk ook een materiaaleigenschap, maar de structuur is zeker belangrijk. Je moet geleiding zien als 'het gemak waarmee een elektron (zich even voor te stellen als een hard bolletje) door een materiaal heen kan bewegen'. Komt het veel hindernissen tegen (het botst dan heen en weer, waardoor het later op zijn 'bestemming' komt, hoe slechter de geleiding'.

Wat ik net beschreef was eigenlijk de mobiliteit, maar de mobiliteit is een onderdeel van de geleiding (formeel: geleiding = lading_van_elektron * mobiliteit en dan van zowel gaten als elektronen bij elkaar opgeteld)

[Mad Mantis]

Dit is niet mogelijk. Koolstof heeft geen enkel probleem om ringstructuren en dubbele bindingen te vormen. Allerlei verschillende formaten ringen zijn mogelijk. Silicium vormt slechts heel moeilijk ringen en heel erg moeilijk dubbele bindingen. De elektronische structuur van het materiaal verhindert makkelijke vorming van ringen en dubbele bindingen. Grafeen is een platte laag koolstof opgebouwd uit allerlei ringen en dubbele bindingen. Precies zaken waar silicium niet makkelijk mee overweg kan.

[sKweezr]

Teruglezend in een hieraan refererend artikel (zie lijst: "atoomdikke schakelaar ontwikkeld") zie ik dat er in maart 2007 nog gezegd werd dat er mogelijk pas in 2020 begonnen zou worden met het produceren van op grafeen gebaseerde technologie, omdat men dan aan de 20nm grens zou zitten.

In het artikel hierboven staat echter binnen drie tot vijf jaar.

[Luxx]

Voglens mij onderschat je de stappen en tijd die zit tussen 'eerste electronische schakeling', die we over 3-5 jaar zien, en produceren voor 'consumenten'.

[Snoitkever]

2020 pas? Volgens de IRTS wordt 16nm al in 2018 bereikt, en volgens Intel's tick-tock schema zelfs al in 2013.

[Crakie]

Het artikel (en misschien Geim gemakshalve ook) ziet iets over het hoofd: grafeen is geen halfgeleider, maar een halfmetaal. Dat betekent dat je de geleiding niet zomaar 'aan' en 'uit' kan zetten, wat nu net het basisprincipe van een transistor is. Nu zijn er wel strategieën ontwikkeld om de vereiste bandgap te induceren, maar dat is geen sinecure. De beste papieren heeft op het ogenblik het etsen van grafeen in smalle stripjes.

Toch zou ik het waarderen als Tweakers beweringen als 'er komt over drie tot vijf jaar elektronica op basis van grafeen' niet zomaar overneemt. Natuurlijk, het komt van iemand die een autoriteit is op het gebied, maar hij heeft ook belang bij een hype te creëren rondom grafeen. Dat levert weer centjes op bij de volgende aanvraag van subsidie. Plaats er dus een kritische noot bij of iets dergelijks.

[thunderbird2k]

Helemaal mee eens. Zoals ik in een eerdere opmerking aangaf in digitale schakelingen heb je nMOSTen en pMOSTen nodig. Deze uitvinding (mits het allemaal klopt) zou juist nMOSTen helpen, de mobiliteit van gaten waarop juist een pMOST werkt, moet ook omhoog anders heb je er niks aan.

Ofwel er is nog veel werk voor de boeg om het nuttig te maken voor digitale circuits. Voor analoge circuits is het wel zeker nuttig mits het echt werkt.

[Frenzy_LS]

lol,.. na wat reacties zag ik ook pas dat er Grafeen stond ipv Grafsteen. Erg verwarrend.

Eigenlijk nog nooit van Grafeen gehoord,. zal me er is in verdiepen....

Maar zeker een interessant item. De vraag naar puur Silicium stijgt behoorlijk. Op dit moment ben ik bezig met een project om een Silicium fabriek in Geleen neer te kwakken. Het verkrijgen van hoogwaardig silicium is een giftig en bovendien kost het erg veel energie. Ik ben benieuwd hoe het productie proces van Grafeen en ook de Nanokoolstof versies hier tegenover staan.
Feit is namelijk allemaal leuk en aardig dat Grafeen, maar als het 4x zoveel kost om een bruikbaar product in half geleiders en zonnepanelen te verwerken,… zal het nog wat R&D nodig hebben,.. voordat het kostefficiënt is.

[Clavius]

Het lijkt me zeer onwaarschijnlijk dat grafeen silicium als substraat zal vervangen, het wordt hooguit een laagje wat je op een silicium wafer groeit.
Daarnaast zijn de materiaal- en proceskosten van zoiets als grafeen niet geheel bepalend of het wel of niet wordt toegepast, maar voornamelijk voor het voordeel in het product dat het oplevert.

[bbr]

Mja, is het nou goedkoop of duur om dit spul te maken?
Desondanks erg interessant dat silicium achterhaald is, maar als dit spul ziek duur is dan heeft de consument er nog niet echt veel aan.

Maar toch, het is iig wel een optie voor grote bedrijfen om dus snellere (bijv xeon) processors en memory te gebruiken, en zo sneller en betere materialen te produceren voor consumenten.

[broli123]

Plakband? Als het zo goedkoop kan dan kan het met wat betere tech nog beter, laat maar komen

[QinX]

je kunt moeilijk een stukje plakband voor een 300mm wafer gebruiken en dan ook nog verwachten dat je meer als 25% overhoudt