Onderzoekers vereenvoudigen grafeen-toepassingen

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om de verwerking van grafeen tot halfgeleider-materiaal te vereenvoudigen: met een enkele stap kunnen p- of n-eigenschappen aan de lagen koolstof worden toebedeeld.

Hoewel grafeen zich een veelbelovend materiaal voor toepassing in elektronische circuits heeft getoond, dient het materiaal nog te worden gemanipuleerd alvorens het kan worden toegepast als bouwsteen in cmos-toepassingen. Voor een cmos-transistor, de meestgebruikte component in onder meer processors, dient het grafeen voorzien te worden van verontreinigingen die extra elektronen of extra gaten toevoegen: zo ontstaat respectievelijk een n-type of p-type halfgeleider.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een eenvoudige manier ontwikkeld om grafeen te doteren met verontreinigingen en zo p- en n-type halfgeleiders te maken. Ze gebruiken commercieel verkrijgbare spin-on-glass-materialen om de koolstof-laagjes te doteren. Zij stelden daartoe dunne laagjes grafeen, met een dikte van één tot vier lagen, bloot aan het sog-proces, waarna het grafeen met een elektronenstraal werd bewerkt. Die straling veroorzaakt het doteer-proces en kan zeer precies worden gereguleerd. Volgens de onderzoekers is een nano-ribbon van op deze manier bewerkt grafeen tien keer beter in staat elektriciteit te geleiden dan onbehandeld grafeen.

Het proces is relatief eenvoudig: het gebruikte materiaal, HSQ, kan zowel de elektronen als de gaten leveren: andere onderzoekers gebruikten verschillende toevoegingen om dat te bewerkstelligen. Bovendien stelt het gebruik van de elektronenstraal, die een diameter van vier tot vijf nanometer heeft, hen in staat zeer precieze patronen te volgen. De elektronenstraal zou in massaproductie-procedé vervangen kunnen worden door normale lithografie, waarbij het masker voor variatie in ontvangen stralingsenergie - en derhalve in p- of n-type dotering - zou zorgen.

Reacties (21)

[Fjerpje]

Dit kan nog wel een jaar of 10 gaan duren voordat de technologie eens in de winkels te vinden is. Of de chipboeren moeten ineens rigoureus naar grafeen switchen en dan nog zal de toepassing nog wel een aantal jaren gaan duren want met snellere processoren kan de veiligheid ook in het geding komen.

[teacup]

Die tien jaar zullen er nog wel voor nodig zijn. Dat denk ik ook wel. Van de andere kant, als je in staat bent om normale lithografische procedes te gebruiken dan zie ik daarin een reden dat de impact van de verandering voor de chip- en waferstepper fabrikanten nog wel mee kan vallen.

Nu hebben italianen (Politecnico di Milano) al een eerste poging gedaan (2009-04) om een eenvoudig circuit te bouwen met grafeen. Collega onderzoekers waren gematigd positief (MIT) tot sceptisch (IBM). Het procede kan niet als een serieuze stap voor massafabricage worden beschouwd. De methode die in dit item wordt gepresenteerd lijkt een meer fundamentele stap in de richting van een IC waarin grafeen is verwerkt.

Het was niet de vraag of, maar wanneer een bericht als het bovenstaande in de media zou komen. De bonussen van grafeen zijn eenvoudigweg te groot. Deze bonussen zie als een tweede reden waarom de introductie van grafeen sneller kan gaan dan we denken. Wat ik op zich grapig vindt , is dat de onderzoeksrollen omgedraaid lijken te zijn. IBM lijkt zich meer bezig te houden met fundamenteel onderzoek naar de gebruikslimieten van grafeen terwijl de wetenschapelijke wereld (Politecnico di Milano, Georgia Institute of Technology) zich bezig houden met de toegepaste wetenschap van het produceren. Mischien is IBM al verder maar wil ze dit nog niet publiekelijk maken. Toch is dit laatste niet waarschijnlijk, want dan lopen ze een te groot risico een mogelijkheid tot patenteren mis te lopen.

Een derde reden voor een snellere introductie dan wij verwachten is een (imaginaire) concurrentiedruk. Fabrikanten in de waferstepper en chipindustrie kunnen zich eenvoudigweg niet permitteren om een ontwikkeling te missen. De angst hiervoor zal ze dwingen om een korte-, midden- en lange termijn strategie te definieren. Hierbij is het lange termijn onderzoek een beetje schieten met een hagelgeweer. Door gebrek aan kennis kan je niet precies richten, en schiet je met meer kogels tegelijk om in ieder geval iets raak te hebben. En dit kost natuurlijk bakken met geld. Opmerkelijk hierbij is trouwens dat zowel het onderzoek van Georgia Institute of Technology als dat van IBM wordt ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). De overheid pushed dergelijk onderzoek dus wel degelijk.

Dat IBM kritisch was op het onderzoek van de Politecnico di Milano kan erop duiden dat binnen IBM het draagvlak voor het produktierijp maken van grafeen-IC's onder druk staat. Misschien heeft intern onderzoek te weinig succes opgeleverd. Mogelijk is dit een verklaring waarom we het nieuws in dit artikel uit een andere hoek vernemen.

[Reactie gewijzigd door teacup op 23 juli 2024 08:02]

[shakedown]

Zeker weten. Als het niet langer gaat duren... De huidige fabriekanten hebben miljarden geinvesteerd in het huidige materiaal dus dat wordt tot het uiterste uitgemolken, (misschien wel terecht) voordat er wordt overgestapt.

Aan de andere kant kunnen nieuwe bedrijven die nog niet van die enorme bedragen hebben geinvesteerd hier misschienb sneller instappen? (ben geen econoom dus weet niet hoe dat met de geld stromen zit)

Dat het uiterste uit het huidige materiaal wordt gemolken is juist goed. Vergeet niet dat sommige doorbraken pas gedaan kunnen worden wanneer het gebruikt materiaal geen geheimen meer kent.

Misschien dat grafeen juist wel naar silicium kan bestaan.

[freaq]

toch zou het een interessant punt kunnen zijn o het nu te researchen

zeg amd steekt hier in het geheim veel research in
en kan over 5 jaar een 20ghz chip maken die in principe verder gelijk is aan een standaard phenom 2 (of welke andre chip er dan gewoon is)

dat zou ze ineens gigantisch ver voor intel plaatsen.
ook is grafeen een in princiepe goedkoper materiaal dan puur silicium.

zoiets zou amd ineens helemaal vooraan de pack kunnen zetten.
en onverslaanbaar zijn voor een paar jaar.
weldegelijk interessant dus.

fde vraag is of dat kan
maarja daar is het research voor.
het heeft in elk geval ontzettend veel potentie!

[shakedown]

Mmm ik denk dat intel hier ook niet bij stil zit... Vergeet niet dat het niet eenvoudig is om over te stappen. Je moet aan het nieuwe materiaal "wennen".
Nieuwe manieren van denken (materiaal heeft andere eigenschappen), nieuwe productie technieken, je personeel moet bijgeschoolt worden, je producten moeten aangepast worden, je klanten moeten overgehaald worden dit af te nemen, je moet nieuwe bedrijven vinden voor de aanvoer van het materiaal, enz enz enz.

In feite komt het erop neer dat je tussen de 5 en 10 jaar een volledige onderzoeks/pre-fabriekaat afdeling moet laten draaien zonder dat daar inkomsten uit worden gegenereerd. Ik denk dat alleen intel daarvoor genoeg geld in kas heeft. (Al weet ik niet wat AMD kan met de huidige ommezwaai van het bedrijf.)

[Br4mmie]

Denk er ook aan dat als amd een voorsprong heeft van misschien 5 jaar ofzo, dat ze in die vijf jaar bekend staan als beter dan intel.. en wat dacht je dan wat er gebeurt als intel ook 20 ghz processors heeft? juist, niemand weet nog dat intel uberhaupt bestaat, iedereen kocht steeds amd. (en amd heeft dan nog betere cpu's omdat ze al een tijdje met grafeen bezig zijn)

op die manier zouden de rollen om kunnen draaien.

moeten ze idd alleen wel ergens geld vandaan zien te halen, en dat is iets waar intel beter in is.

[Relief2009]

Hoeft niet per se. Zolang ze proberen de overgang naar grafeen makkelijker te maken dan zie ik geen probleem.

[crasj]

Grafeen kan vrij snel gebruikt worden omdat het volledig compatibel is met silicium technologie. Er speelt geen probleem zoals met bijv koper dat aan de wandel gaat in silicium. IBM loste dat probleem op door er eerst een "dikke" laag silicium oxide onder te leggen. Silicium wordt omgezet in siliciumcarbide en vervolgens dit siliciumcarbide in grafeen. Het probleem is de sterk 2 dimensionale structuur van grafeen. Een evt transistor vraag daardoor juist veel meer oppervlak terwijl men nu juist al jaren bezig is naar 3D structuren te gaan, de diepte in dus. Zodat je meer transistoren per oppervlaktemaat hebt en kortere schakeltijden omdat de ladingsdragers minder afstand hoeven afleggen.

[Fjerpje]

Ja iedereen hier heeft wel gelijk maar je moet ook onthouden dat het ontwikkelen van snellere commerciële en/of particuliere chips een veiligheids risico met zich meebrengt en dat niet alleen de chipboeren zich moeten aanpassen. Want stel dat bijvoorbeeld AMD volgend jaar met een 100Ghz processor op de proppen komt dan kan je je voorstellen dan je met een 100Ghz chip al veel sneller dingen kan hacken. Zo zouden dus bijvoorbeeld encryptie sleutels sneller gekraakt kunnen worden. En dat is natuurlijk niet de bedoeling.

Nu is dat slechts een voorbeeld met wat er "zou" kunnen gebeuren als er ineens snellere chips op de markt zou komen.

[Verwijderd]

100GHz of zelfs 10000 GHz maakt geen verschil voor fatsoenlijke encryptie. Sterker nog, hoe meer rekenkracht je tot je beschikking hebt om je geheimen te ontsleutelen, hoe langer je je sleutels kunt nemen en aangezien er minstens een polynomiaal, niet linear verband tussen de twee zit, kun je beter dus wel meer rekenkracht hebben.

Wat wel kan gebeuren is dat er door nieuwe rekenkracht mogelijkheden (een factor 30 telt niet hiervoor) andere manieren worden gekozen om problemen op te lossen die tot oplossingen leiden die de menselijke bias nooit zou vinden. Voor dit soort toepassingen is echter de snelheid niet zo zeer belangrijk; meer hoeveel je hebt. Dus als je zeg een proces uitvindt om van organische materialen automatisch een computer te bouwen en deze worden automatisch onderdeel van een computer netwerk (zegmaar een soort van gecontroleerde grey goo), dan kun je dat soort dingen wel doen, maar dan nog is er de mogelijkheid dat het kraken van sleutels fundamenteel moeilijk is.

[Thomas M]

Nu een grafeentransistor makkelijker te maken is, zal het commercieel ook wel interessanter worden om ze voor elektronica te gaan gebruiken.
Al kan ik niet helemaal afleiden of dit een batchproces of continuproces is. Waarschijnlijk batch, omdat kleine(micro/nano) elektronica vaak in batch wordt gemaakt.

[Jeroen-83]

Mooie doorbraak. Ben benieuwd hoe lang het nog daadwerkelijk gaat duren voordat het echt toepasbaar word in producten. Het materiaal vertoont in ieder geval genoeg potentie. Zou eindelijk de clock frequentie van processors omhoog kunnen

Offtopic:

@Cergorach (en iedereen die nog volgt): Die grafsteen grapjes zijn echt niet grappig meer na 100x (in verschillende topics). Verzin eens wat nieuws! !

[Reactie gewijzigd door Jeroen-83 op 23 juli 2024 08:02]

[Cergorach]

Zeer zeker geen grapjes, ben verkouden als de **** en het water stroomt m'n ogen uit, dan is het niet zo heel vreemd dat ik iets verkeerd lees.

[PolarBear]

Dan nog voegt het niets toe. Ik kan er niets aan doen maar elke keer als grafeen in het nieuws is komen er minimaal 5 posts met opmerkingen dat men grafsteen las. Dat weten we en voegt niets toe.

[Cergorach]

Als je dat criterium aanhoud dan voegt 80% van de reacties op elk nieuws item niets toe.

[BlackOwl]

Bij sommige nieuws items ligt dat percentage helaas nog hoger.

[The Bula King]

Wat ik mij afvraag is dat als grafeen dan een hele goede geleidbaarheid heeft,
Ze deze stof dan niet kunnen gebruiken voor energie transport, zodat de koperen kabels kunnen vervangen worden?

---> Als in de toekomst zoiets in massaproductie gemaakt kan worden