Onderzoekers ontwikkelen moleculaire transistor

Een internationaal gezelschap onderzoekers heeft een transistor ontwikkeld die slechts één molecuul als sleutelelement bevat. Bovendien is de transistor met behulp van spanning te reguleren, maar de productie ervan is nog problematisch.

De onderzoeksgroep van Hyunwook Song is erin geslaagd een transistor te bouwen die afhankelijk is van een enkel molecuul. Andere onderzoekers slaagden hier eerder al in, maar het aansturen van hun transistors vergde radicaal andere technieken dan de aansturing van halfgeleider-transistors, die met een variabele spanning worden aangestuurd. De Zuid-Koreaanse en Amerikaanse onderzoekers ontwikkelden echter een spanningsgestuurde transistor waarvan de gate uit één molecuul bestaat en publiceerden hun werk in de wetenschappelijke uitgave Nature.

Zij maakten een nano-gat in een gouddraad, waardoor net genoeg ruimte ontstond om een enkel molecuul in te passen. De twee uiteinden van de gouddraad dienden als source en sink, terwijl het molecuul in het gat de verbindende gate vormde. Onder de gate werd een elektrode van aluminiumoxide geplaatst, waarover een stuurspanning gezet kon worden om de transistor te laten geleiden of sperren. De onderzoekers probeerden twee moleculen, die uit een koolstof-skelet met zwavelatomen aan de uiteinden bestonden.

Wanneer een recht koolstofskelet werd gebruikt als gate, werd de transistor spanningsafhankelijk geleidend, maar het effect was gering. Door een benzeenring als koolstofskelet te gebruiken, was de stroom die tengevolge van een negatieve stuurspanning tussen de gouden elektroden door liep groter. De diffuse elektronenwolk van de benzeenring liet de elektronen makkelijker van de ene naar de andere goud-elektrode stromen.

Met behulp van iets, een meettechniek die de vibratie van atomen in een molecuul meet, verifieerden de onderzoekers dat de zwavelbenzeen-verbinding daadwerkelijk als gate functioneerde en dat de verbinding spanningsafhankelijk reageerde en stroom doorliet. Daarmee zijn de onderzoekers weer een stukje dichterbij het verder verkleinen van transistors, hoewel ook andere onderdelen naast de gate nog verkleind moeten worden. Ook de productie van de moleculaire gates is lastig: minder dan tien procent van de geproduceerde transistors functioneerde als bedoeld.

Reacties (62)

[Sibert]

Kan iemand dit me eens uitleggen?
Ik snap er niks van

[Anoniem: 231912]

een transistor is een 'apparaatje' waarmee je een stroom kan versterken of kan afzwakken. Maar in de ICT wordt het vooral gebruikt voor het aan/uit zetten van een stroom. Een bepaalde spanning zorgt ervoor dat de transistor ergens anders stroom (niet of juist wel) doorlaat.

Nu zijn ze er dus in geslaagd zo'n transistor (waarvan er miljoenen/miljarden op chips gaan) tot 1 molecuul te verkleinen! en, nog beter, om hem op de traditionele manier aan te sturen (dus met spanning ipv bijvoorbeeld experimentele dingen als laserlicht)

Ze zetten ergens in een gouddraad zo'n molecuul en probeerde vervolgens van de ene kant naar de andere kant stroom te sturen. Ze hebben 2 moleculen geprobeerd, een rechte koolstofstructuur en een ringvormige (http://nl.wikipedia.org/wiki/Benzeen) De rechte werkte wel, maar slecht, de ringvormige werkte beter (de elektronen konden zich beter verplaatsen door de ringstructuur)

Vervolgens hebben ze het leuk gecontroleerd, en het klopte. Het is nog niet geheel levensvatbaar begrijp ik, bepaalde onderdelen zijn nog te groot en slechts 10% werkt, maar het klinkt goed. Meer transistors op een kleiner oppervlak betekend betere of kleinere chips.

(ik hoop dat ik zelf geen fouten heb gemaakt)

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 231912 op 23 juli 2024 16:25]

[Anoniem: 201824]

Zou ASML de machines gaan maken voor de productie van dit soort transistors? Of is dit zelfs een concurrent van hen? Dat laatste zou jammer zijn.

[Anoniem: 163856]

Dit is wsl nog lang niet klaar voor productie - in ieder geval zullen ze eerst willen proberen een hogere opbrengst dan 10% te bereiken!

[arjankoole]

Zou ASML de machines gaan maken voor de productie van dit soort transistors? Of is dit zelfs een concurrent van hen? Dat laatste zou jammer zijn.

Dit is puur international wetenschappelijk onderzoek. ASML legt zich toe op het produceren van diverse apperatuur voor lithografie, en of dat in dezelfde mate van toepassing is hier, dat kun je je afvragen. Maar met een 'yield' van minder dan 10% functionerende moleculen is dit sowieso nog een aardig eind van normale productie verwijderd.

[Anoniem: 201824]

Dat snap ik allemaal, maar ik loop vast vooruit op de zaken... en vraag me af of ASML als fabrikant van die machines hier al onderzoek naar heeft gedaan, of dat ze het kunnen gaan kopen of iets dergelijks van de onderzoekers uit het artikel.

Edit: misschien heb ik een iets mis... kun je met die machines van ASML transistors maken? Of maak je een machine met die machine van ASML, die dan pas transistors kan maken?

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 201824 op 23 juli 2024 16:25]

[Sibert]

Oke, bedankt

[kokx]

Kleinere chips, betekend ook nog snellere chips. Omdat ze meer transistors op 1 vierkante cm kwijt kunnen, kunnen ze meer logica kwijt op de chips.

[Anoniem: 231912]

zoals ik al zei: of kleinere, of betere chips als je de chips evengroot houdt, worden ze inderdaad beter.

[Aham brahmasmi]

zoals ik al zei: of kleinere, of betere chips als je de chips evengroot houdt, worden ze inderdaad beter.

Niet zonder meer beter. Je moet wel steeds meer met dingen zoals lekstromen rekening houden als het ontwerp verder verkleind word.

[Anoniem: 322441]

in een CPU komen heel veel transistors voor zie:

wat is een transistor (NL):
http://nl.wikipedia.org/wiki/Transistor

uitleg cpu en waar deze uit bestaat (US):
http://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit

Deze kunnen ze veel kleiner maken, tot een atoom groot ... alleen de omringende componenten zijn nog groter deze proberen ze te verkleinen.

[Aham brahmasmi]

Deze kunnen ze veel kleiner maken, tot een atoom groot

Da's wel een beetje overdreven. Het is niet één atoom maar een molecuul, en dat is alleen nog maar de gate (het schakelende element in de transistor) en niet de gehele transistor.

[Stoney3K]

Bovendien wordt transistoren van één atoom groot maken wel een lastige klus. Dan zit je met stroomdichtheden en veldsterktes te kijken die een normaal atoom zonder problemen in één klap kunnen ioniseren. Daar gaat je gate!

Sowiezo, als ze nu nog veel kleiner willen, gaan er allerlei quantum-effecten meespelen. Die wil je in een 'normale' computer zeker weten niet.

[taeke18]

is inderdaad ook moeilijk om te begrijpen wat ik er van begrijp is minimaal toch lijkt dit een geweldige vooruitgang wat kleiner dan 1 molecuul lijkt me niet mogelijk.

[Anoniem: 194336]

1 atoom, oja ooit komt dit er wel!

[Anoniem: 201824]

Met andere woorden... een nieuw atoom in het atomenstelsel? Dus we gaan zelf atomen creëren

@Decalies, ik bedoel meer atomen die we helemaal zelf uitvinden, die niet door de natuur (inclusief gaswolken, nevels etc. wat er ook in de ruimte ~) zelf gemaakt (kan) worden. Althans, ik durf te stellen dat Tc etc. weleens door een bepaalde reactie ergens in het heelal 'gemaakt' is. Zoiets als dat plastic als product -waarschijnlijk- nergens anders in het heelal voorkomt.

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 201824 op 23 juli 2024 16:25]

[Decalies]

Dat doen we al toch Denk aan Tc...

[avdg-BE]

Dat gaat naar mijn weten niet lukken, aangezien de kunstmatige atomen veel te zwaar en instabiel zijn (nucleaire explosies tot gevolg)

[Aganim]

Sinds wanneer zorgen te zware/instabiele atomen voor nucleaire explosies? Bij mijn weten vallen ze nog steeds uiteen tot kleinere en uiteindelijk stabielere atomen. Vaak gecombineerd met het ontstaan van alfa, beta of gamma straling. (Let hierbij op het bewust niet gebruiken van het woord "radioactieve", aangezien een stof radioactief is en NIET de straling zelf.)

In ieder geval is dit redelijk off-topic verder, het kunstmatig vervaardigen van zware atomen heeft voorlopig nog geen praktische toepassingen.

[Stoney3K]

In ieder geval is dit redelijk off-topic verder, het kunstmatig vervaardigen van zware atomen heeft voorlopig nog geen praktische toepassingen.

Grotere dreunen maken in de Large Hadron Collider. Duh.

[M2M]

best grappig dat het energetisch meest gunstige atoom, ijzer is. (uiteindelijk zal de zon uitgefuseerd zijn, en fusie van helium beginnen, uiteindelijk eindigend bij ijzer, waarna de boel instort, groter wordt, instort, groter wordt en op het laatst een middelpunt van een melkwegstelsel wordt...)

[apella]

eigenlijk zal een ster zoals de zon (voor zover we weten, natuurlijk) niet instorten en een zwart gat worden, want z'n massa is te klein.
Eerde zal de zon inderdaad instorten en weer groter worden om weer in te storten, maar uiteindelijk zal ze een witte dwerg worden, een kleine ster (nu ja, klein... in vergelijk met.) die weinig licht en weinig warmte geeft. (niet dat we ons op aarde iets zullen moeten aantrekken van de kou want we liggen te dicht bij de zon om z'n eerdere expansie te overleven).

terug ot: mooie vorderingen, me dunkt dat de techniek voor deze schaal net op tijd op punt zal staan wanneer we vast zitten met het huidige systeem om kleiner te gaan, en Moore's wet zal mooi verder gaan.

[A4-tje]

Simpel gezegd bestaat een chip (CPU of GPU) uit schakelaars (transistors) die open of dicht staan.
Des te kleiner de transistor is des te meer kunnen er op een oppervlak. Op dit moment is een atoom het kleinste onderdeel dat we daadwerkelijk kunnen manipuleren/gebruiken.

Een molecuul is opgebouwd uit 2 of meer atomen en daarmee hebben ze nu dus een schakelaar kunnen bouwen.( een molecuul is gemiddeld 1 nm = 1 × 10-9 m, één miljoenste millimeter groot. In verhouding --> een mensenhaar is 1/20 van een milimeter dik).
Geweldig dat ze dit voor elkaar hebben gekregen, want dit is dus echt pionierswerk geweest. Wat me wel opvalt is dat er steeds meer toepassingen voor de benzeenring worden verzonnen.

[flamingworm]

als gastje van 14 kun je hier uiteraard niets van begrijpen. Een cursus halfgeleiderfysica of op z'n minst elektronica is hier wel aan de orde om dit volledig te snappen. Het komt er op neer dat men er in geslaagd een transistor te kunnen schakelen met één molecuul, en dit met conventionele aansturing, waardoor deze nieuwe, veel kleinere transistor makkelijk te integreren is in bestaande technologie.

[Adam_2.0]

Als gastje van 26 met een VWO-diploma natuurkunde is het ook best nog abracadabra, hoor

Terzijde: hoe duur is dit om te maken? Dat lijkt me wel een goede indicatie van hoe ver van ons "bed" het is.

[flamingworm]

dat zegt meer over jouw intellectuele capaciteit of het niveau van je opleiding dan over het niveau van dit artikel denk ik

[densoN]

je doet je naam wel eer aan..

[tweakerbee]

Met middelbare school natuurkunde kun je dit soort dingen gewoonweg niet goed begrijpen. De strekking ervan natuurlijk wel, maar hoe het precies in elkaar steekt niet.
Als ik het goed heb wordt de functie van de transistor ook al enkele jaren niet meer voor het eindexamen uitgelegd. Om daarmee gelijk het niveau van VWO natuurkunde af te kraken gaat ook wat ver, en het beledigen van de intellectuele capaciteit van Adam_2.0 al helemaal.

[Engineer]

Wat een gebakkes over IQ's en opleidingen zeg. Iedereen die snapt hoe een kraan werkt, snapt het artikel zolang je de volgende vertalingen erbij houd:

Source = kraan-ingang (waar je bij een waterkraan het water op aansluit, bij stroom zet je hier de stroom op)
Gate = de draaiknop waarmee je de doorvoer regelt (bij een waterkraan met de hand, bij stroom regel je de gate met een kleine spanning)
Sink = uitgang van de kraan

Oftewel een onderdeel om, met weinig vermogen op de gate/draaiknop, de doorvoer van een (relatief) zwaardere stroom te regellen.

Voor dit gedeelte hoef je echt niet 4 jaar naar school en een IQ van 150 te hebben hoor. Als je diepgaander op moleculen en atomen inwilt zal het wellicht ingewikkelder worden, maar zelfs de straatschoffies zullen wel weten dat een molecuul -klein- is, water is eruit opgebouwt e.d.

[Reactie gewijzigd door Engineer op 23 juli 2024 16:25]

[Death1ord]

Een beetje korund(Al₂O₃) en wat kwarts(SiO₂) en wat gedegen goud en je kan de kleinste transistor maken.

Mooie vooruitgang!

[Reactie gewijzigd door Death1ord op 23 juli 2024 16:25]

[Stoney3K]

Een beetje korund(Al₂O₃) en wat kwarts(SiO₂) en wat gedegen goud en je kan de kleinste transistor maken.

Mooie vooruitgang!

Nu het nog produceerbaar maken. Ik heb niet het idee dat een Al₂O₃-molecuul zich makkelijk in een SiO₂-kristalrooster laat persen. Met de huidige P- en N-doping materialen gaat dat wat makkelijker en daarom kunnen wafers daarvan ook zonder problemen met lithografische processen geëtst worden. Waarschijnlijk is dat ook één van de redenen waarom de yield van die proef-transistoren zo bedroevend laag is.

[Anoniem: 178824]

In hoeverre is de afbeelding op schaal?

Er zit nogal wat korund en kwarts in verwerkt maar (op de afbeeling) ook een hoop goud (Au = Aurum).

Het productieproces zal (nu nog) erg duur zijn maar kan goedkoper worden met betere technieken. Grondstoffen, en zeker goud, worden dat niet.

Met 1 transistor zal de hoeveelheid goud wel meevallen maar ja, als er miljarden van die dingen straks in 1 cpu/gpu gaan

Actuele goudprijs: 24821 euro per kilogram (of 24,80 euro per gram)

[Anoniem: 304426]

Is een dergelijke transistor niet onmogelijk kwetsbaar? ik kan me voorstellen dat als dat ding molecuul breed is, 1 klein stootje genoeg is om 'm te breken.

[Plasma_Wolf]

Jazeker, dat zit er dik in. Grote dingen breken wat minder gemakkelijk. Met zulke transistors wil je er ook niet te veel stroom doorheen jagen trouwens.

Vergelijk het met de elektronica die ze in de space shuttles en ruimtestations doen. Dat zijn nog steeds hele oude dingen (4004 of 8008 processor misschien, ik kan me de namen niet helemaal goed herinneren). Dit doen ze omdat de straling in de ruimte vele malen hoger is dan die op aarde, de oudere, op een groter procedé gebakken processors kunnen dat wel aan, maar de mooie i7 of phenom II die we nu hebben beslist niet, laat staan zulke transistors.

Voor thuisgebruik kan het natuurlijk wel, maar je moet er wel heel voorzichtig mee doen.

[Sphere-]

Een even belangrijke reden om geen state of the art x86 processor te gebruiken is dat ze minder goed getest zijn (Er is simpelweg minder tijd om te testen). Verder is de x86 architectuur wellicht niet zo geschikt als je echt een bugvrije processor wilt hebben door de opeenstapeling van uitbreidingen van instructiesets en backwards compatibility.

de RAD6000 en RAD750 hierboven genoemd zijn speciale radiation hardened processors.

[Stoney3K]

de RAD6000 en RAD750 hierboven genoemd zijn speciale radiation hardened processors.

Betekent dat niet feitelijk dat ze een grotere die genomen hebben, en elke transistor 2/4/8 keer uitgevoerd is? Als er ééntje faalt door drain-source doorslag of latch-up, dan heb je nog genoeg transistoren over.

[Fjerpje]

Natuurlijk moet je voorzichtig zijn met een processor maar sinds wanneer kan er geen straling absorberende laag oftwel een aluminium behuizing om een processor geplaatst worden? Dat word tegenwoordig bij elke processor gedaan. Het hechten van moleculen kan met chemische verbindingen klaar gespeeld worden en zo gestempeld worden op een gast molecuul. Deze hechtingen zijn relatief sterk omdat deze zichzelf vastklampen.

[Stoney3K]

Natuurlijk moet je voorzichtig zijn met een processor maar sinds wanneer kan er geen straling absorberende laag oftwel een aluminium behuizing om een processor geplaatst worden? Dat word tegenwoordig bij elke processor gedaan. Het hechten van moleculen kan met chemische verbindingen klaar gespeeld worden en zo gestempeld worden op een gast molecuul. Deze hechtingen zijn relatief sterk omdat deze zichzelf vastklampen.

Dat werkt alleen voor elektromagnetische straling, en dan nog in het RF-bereik. Een metalen blik is nutteloos voor kosmische straling die uit alfa- (He-kernen) en bèta-deeltjes (elektronen) bestaat, en EM-straling in het gamma-bereik. Op onze aardkloot heb je nog 6 meter beton nodig om dat tegen te houden, anders hadden we allemaal wel een Mr. Fusion onder onze motorkap gehad.

[Part]

Ze gebruiken nu de RAD6000 en de RAD750.
De laatste is een PowerPC 750 maar met een prijskaartje van een leuk huis.

[Fjerpje]

De moleculen in je eigen lichaam verplaatsten zich ook niet zo snel. Het ligt aan de hechting.

[Aham brahmasmi]

Is een dergelijke transistor niet onmogelijk kwetsbaar? ik kan me voorstellen dat als dat ding molecuul breed is, 1 klein stootje genoeg is om 'm te breken.

Fysiek is het niet zo fragiel hoor. Het is denk ik niet zo dat als je zo'n cpu zou laten vallen van 1m hoog, dat de moleculaire transistors zouden "breken". Een gebonden molecuul heeft natuurlijk ook vrijwel geen last van massatraagheid (kapot stoten of uit elkaar breken door zijn eigen massa). Het lijkt me dat het gevoeliger is voor elektrische schokken.

[Reactie gewijzigd door Aham brahmasmi op 23 juli 2024 16:25]

[Anoniem: 337201]

de kwantumcomputer komt hiermee weer een stapje dichterbij lijkt me.

[_Pussycat_]

Nee, dit is "gewoon" een erg kleine, maar normale transistor. Quantumcomputers werken fundamenteel anders.

[blorf]

Waar, maar ik denk dat het hoogst interessant is mbt het overbruggen van quantumsignalen naar elektrische stroom. We willen graag op het scherm kunnen zien wat de computer doet. Er moet dus ergens een aansluiting gemaakt worden.
Geen idee wat ze tegenwoordig van quantumsystemen kunnen waarnemen maar ze hebben er in ieder geval nog een flinke verzameling apparatuur voor nodig

[vanaalten]

Het gaat waarschijnlijk nog wel een aantal jaren duren voordat dit uit het laboratorium komt en in massaproductie gaat. Het is niet zo dat deze uitvinding volgend jaar al in een Intel-processor zal zitten...

[Anoniem: 201824]

Nee... eerst zal de hele roadmap nog afgewerkt moeten worden om alle investeringen en onderzoeken nog terug te verdienen... Misschien over 10-15 jaar eens dat je dit onderzoek weer terug ziet komen, maar dan in de praktijk/winkels.

[Fjerpje]

Heel leuk allemaal maar hiermee komt het eind van de transistor ook al in beeld. Wat zal er hierna gebeuren? Cores stapelen? Ik denk dat er meer gekeken moet worden naar qubits dan naar bits.

[reablom]

even voor de goede orde: waar slaat de 45 nanometer op bij de huidige lithografieprocessen?

edit: en hoe groot is een transistor dan?

[Reactie gewijzigd door reablom op 23 juli 2024 16:25]

[Fjerpje]

NM is een lengtemaat en staat voor Nanometer. Onderstaande tabel geeft je een kleine indruk van de grootte van een NM.

10(-15) = fm (femtometer of fermi)
10(-12) = pm (picometer)
10(-10) = Å (ångström)

10(-9) = nm (nanometer = 0,000 000 001 meter)

10(-6) = µm (micrometer of micron)
10(-3) = mm (millimeter)
10(-2) = cm (centimeter)
10(-1) = dm (decimeter)

[Reactie gewijzigd door Fjerpje op 23 juli 2024 16:25]

[reablom]

Ja slimmerik, dat weet ik ook wel. Maar dat bedoel ik allemaal niet. Wat ik bedoel is waar de 45nm bij het huidige proces op slaat. Is dat:
- golflengte van het gebruikte licht
- kleinst mogelijk feature met dit proces
-...?

En de tweede vraag: hoe groot is een transistor nu dan eigenlijk? Maw hoeveel kleiner wordt het door dit onderzoek.

[Sphere-]

45nm slaat op de kleinste feature size van een transistor, dus het kleinste onderdeel van een transistor. Als ik het goed heb is dit meestal de breedte van de gate. De transistor zelf is dus groter.

wat meer info...

[Reactie gewijzigd door Sphere- op 23 juli 2024 16:25]

[hollandismad]

Ik vraag me af hoeveel problemen ze hier later mee gaan krijgen als het op kwantum-effecten aankomt. Ze hebben nu met de 22nm ontwikkeling al aardig wat problemen (gehad). Het is erg mooi dat het kleiner kan, maar dat is maar een deel van het verhaal.

Overigens vindt ik 10% succesvolle productie voor een eerste testopstelling niet eens zo slecht klinken.

[Plasma_Wolf]

Als eerste resultaat is het inderdaad een redelijk succes. De apparaten die onderzoekers 100 jaar geleden hadden waren ook slechter dan de standaardmeuk die ik tijdens practica op de middelbare school zag.

Het is een goed resultaat maar ik vraag me ook af in hoeverre deze dingen werken wat quantum effecten betreft. Misschien (een wilde gok) komt het ook wel daardoor dat maar een klein aandeel van de transistors werkt.

Hiermee is waarschijnlijk wel een einde gekomen aan de evolutie van deze productievorm. Kleiner dan één atoom kan het niet.

[_Pussycat_]

De twee uiteinden van de gouddraad dienden als source en sink

Sink? Bedoelen jullie Drain?

[engelbertus]

een transistor is een element waarmee je geen stroon kunt versterken of verzwakken, je kunt ermee een stroom aan of uit zetten, door er een kleine spanning op te zetten.

er zijn npn en pnp transistors. transistors hebben dus 3 pootjes, als je het over een ouderwetse hebt die je op een printplaatje kunt solderen ( dus met 2negatieve en 1 positieve aansluiting, of omgekeerd.

een transistor is dus een schakelaar. die is aan of uit.
dit is erg handig te combineren met het ninaire stelsel, omdat dat ook uit slechts 2 waarden bestaat, aan of uit, 0 of 1

hoe een computer daar dan vervolgens weer mee kan werken gaat buiten de uitleg van een transistor.

een computerchip is een hele grote verzameling transistors op zon manier gerangschikt dat je ze kunt programeren en rekenwerk kunt laten doen.


hoe kleiner de transistors des te meer passen er op een chip, en des te minder energie het kost om ze te schakelen, dus je kunt dan keinere snellere energiezuiniger chips maken.
maar dan moet het wel mogelijk zijn dit tegen concurerende prijzen te doen.