Onderzoekers bouwen circuits op grafeen

Een groep onderzoekers van verschillende instituten is erin geslaagd om elektrische circuits op grafeen te produceren. Dit alternatief voor silicium belooft snellere schakelingen mogelijk te maken dankzij een hogere elektrische geleiding.

Grafeen wordt als opvolger van silicium gezien. Door te fungeren als basismateriaal voor steeds snellere en kleinere transistors en schakelingen zou grafeen het mogelijk maken om de wet van Moore te handhaven. Om als siliciumalternatief te kunnen dienen, moet grafeen de mogelijkheid bieden om er elektronische schakelingen op aan te brengen. Een groep wetenschappers van verschillende universiteiten zegt hierin geslaagd te zijn; zij ontwikkelden een lithografische techniek om geleidende nanodraden in grafeen te produceren.

De wetenschappers van het Georgia Institute of Technology, de universiteit van Illinois, het U.S. Naval Research Laboratory, de Chung Ang-universiteit en het CNRS-Institut Néel ontwikkelden een lithografische techniek die zij thermochemical nanolithography, of tcnl, noemen. Zij gebruiken een atomic force-microscope om grafeenoxide zeer lokaal te verhitten. Bij temperaturen boven de 130 graden Celcius wordt het isolerende grafeenoxide gereduceerd en wordt het geleidend. De techniek werd getest op grafeen dat is gemaakt van siliciumcarbide en grafietpoeder, en werkt op verschillende vormen van grafeen.

Met de tcnl-techniek wisten de onderzoekers geleidende nanodraden tot 12 nanometer te maken. Bovendien bleek de techniek relatief eenvoudig te gebruiken, reproduceerbaar en snel. De samples vertoonden geen tekenen van schade door het verwarmen. De productie van de geleidende nanodraden verloopt in een enkele stap en kan op epitaxiaal geproduceerd grafeen worden toegepast.

Reacties (45)

[coptician]

Hoe dicht is dit bij massaproductie?

Ik verwacht natuurlijk niet dat we hier volgend jaar gebruik van kunnen maken, maar ik vraag me wel af of dit binnen een decennium een gebruikelijke techniek voor (bijvoorbeeld) high-end apparatuur kan vormen.

Zijn er nog meer technieken die dezelfde of zelfs hogere snelheidswinsten beloven te halen, en zijn ze, of een of meerdere ervan, reeeler of op kortere termijn vatbaar voor massaproductie?

[Rob Coops]

Grafeen lijkt echt het materiaal van de toekomst de andere zijn CNT's (Carbon Nano Tubes) maar de ontwikkeling hier van voor gebruik als halfgeleider lijkt nog erg ver weg op het moment. Dat kan natuurlijk nog wel veranderen dat is nu eenmaal de uitvinding die iedereen graag zou doen en wie weet heeft er iemand dat geluk... maar op het moment lijkt het eerst grafeen te gaan worden en dan daarna misschien CNT's.

De reden waarom ik eerder op grafeen zou gokken dan op CNT's is omdat grafeen steeds beter op een zelfde manier als de huidige materialen te verwerken is. Met andere worden ASML zou in principe weinig hoeven veranderen aan hun bestaande machines om deze geschikt te maken voor het gebruik van grafeen als basis materiaal. En het meeste onderzoek op dit moment lijkt daar dan ook op gericht. Het geschikt maken van bestaande productie methodes in combinatie met grafeen.

Grafeen wordt hier en daar al gebruikt in schakelingen met name in de optische schakelingen wil je het nog wel eens tegen komen. Het grote probleem zijn de kosten die nog al hoog liggen wat als ik het goed begrijp weer te maken heeft met het feit dat op dit moment de massa productie van grafeen schakelingen niet echt makkelijk is dus veel uitval tijdens het productie proces dat niet al te simpel is wat natuurlijk weer tot flink hoge kosten leid.

Ik denk dat het on realistisch is om te verwachten dat we nog voor 2020 grafeen chips bij de computer zaak om de hoek zullen kunnen kopen. Op dit moment hebben TSMC en Intel beide aangekondigd dat ze na 32 naar 22nm over kunnen stappen en hebben ze ook al redelijke stappen richting de 14nm gemaakt waar ze nog steeds wel haast onvoorstelbare hoeveelheden geld tegen aan smijten om dit ontwikkeld te krijgen. We zijn nu aan het overstappen naar de 32nm dat gaat nog minimaal 5 jaar mee voor we de eerste 22nm processoren zullen zien die ook weer ~6 jaar lang mainstream zullen zijn. Daarna moet 14nm ook zo'n beetje wel beschikbaar zijn en ~6 jaar later moet er een opvolger gevonden zijn. 10nm lijkt mogelijk maar is op dit moment nog erg ver weg als grafeen tegen de tijd dat 22nm op zijn einde loopt nog steeds niet op een betaalbare wijze in massa productie kunnen gebruiken denk ik dat we eerder 10nm chips zullen zien dan dat we grafeen zullen zien als grafeen dan eindelijk goedkoop in een massaproductie proces kan worden gebruikt zou dat wel eens het overstap punt kunnen zijn.

Minimaal nog zo'n 15 jaar voor we de eerste massa productie grafeen producten zullen zien verschijnen. De grote bedrijven als Intel en TSCM (met IBM, AMD en andere als research partners) hebben zo veel geld gestoken in de ontwikkeling van het 22nm en daar na het 14nm procedé dat men echt niet over zal stappen op een grafeen chip voor dat het echt noodzakelijk is. De vele miljarden aan investeringen die gedaan zijn en nog op de planning staan voor de 22 en 14nm processen zullen ze echt niet gewoon even aan de kant schuiven als het nog niet hoeft.
Maar als je voor de grap eens kijkt naar wie deze onderzoekinstituten van sponsoring voorziet dan zul je hoogst waarschijnlijk Intel dan wel IBM, AMD etc in de lijst met gulle gevers zien staan. Want zelfs met een van de grootste R&D budgetten van de wereld kan een bedrijf als Intel niet alles zelf onderzoeken en hebben ze enorm veel partners in de universitaire wereld die allemaal onderzoek doen naar dingen die Intel interessant genoeg vind en eventueel in de toekomst wel eens zou kunnen gebruiken. En dat is niet anders voor de partners die met TSMC en adere samen werken aan het ontwikkelen van dit soort technieken.

[Sten Vollebregt]

Even wat kanttekeningen bij deze post, zowel uit historisch perspectief als mijn persoonlijke ervaring (werk zelf aan de toepassing van CNTs binnen chips).

Reeds in 1999-2000 toonde de groep van Cees Dekker in de TU Delft aan dat CNTs als halfgeleider gebruikt kunnen worden om transistoren te maken. Grafeen werd echter pas in 2004 ontdekt, en het duurde nog een paar jaar voordat de eerste transistoren gemaakt konden worden.

Vanuit historisch perspectief zou je dus zeggen dat CNTs voorlopen. Dat is qua poductie zeker zo. Voor de productie van CNTs zijn inmiddels al een paar jaar commerciële apparatuur beschikbaar, die zelfs op 30 cm wafers een laag CNT kunnen groeien. Bij grafeen is de productie veel lastiger, en het zal nog wel even duren voordat dit op grote schaal kan.

Zowel CNTs als grafeen zijn nagenoeg gelijk qua eigenschappen. Niet zo heel raar aangezien je een CNT als een opgerolde laag grafeen kan zien. Welk uiteindelijk als eerst zijn weg op een chip vind zal dan ook voornamelijk afhangen van hoe makkelijk de productie wordt.

Even kort de voor- en nadelen van beide op een rijtje:
CNTs kunnen relatief eenvoudig gemaakt worden middels het aloude CVD proces (Chemical Vapour Depositon, wordt al sinds de jaren 70 ofzo gebruik in de halfgeleiderindustrie). Een CNT is een haflgeleider of een metaal afhankelijk van de zogenoemde chiraliteit. Dit is het grootste probleem, aangezien controle daarover op dit moment niet bestaat. Daarnaast groeien CNTs het liefst alle kanten op, of haaks op het oppervlak. Voor de huidige productie technieken binnen de industrie zou horizontaal het makkelijkst zijn. Inmiddels zijn hiervoor truukjes bedacht. Kortom: productie simpel, maar selectie en plaatsing zijn nog wat problematisch.

Bij grafeen is de productie al het eerste probleem. Epitaxiale groei op SiC wafers heeft maar een matige controle, is traag en gebeurd op hoge temperaturen. CVD groei is bij kans nog slechter te controleren. Daarnaast is grafeen normaliter een semi-metaal, en toont het alleen halfgeleidende eigenschappen als er draadjes met een breedte van 10-20 nm van worden gemaakt. Dit kan niet eenvoudig met standaard lithografie, maar daar hebben ze hier dus een elegante methode voor gevonden. Deze methode is echter niet gebaseerd op iets wat in de industrie voor productie wordt gebruikt, dus ik plaats zo mijn kanttekens bij de toekomst van de methode. Kortom: grafeen heeft een moeilijke productie en lithografie, maar minder problemen met selectie en plaatsing.

Welke wordt het dan uiteindelijk? Geen idee. Beide kunnen naast transistoren ook voor interconnects gebruikt worden en beide hebben zo hun voor- en nadelen. Waarschijnlijk is het makkelijker om een kleine transitor van een CNT te maken, dan van grafeen. Aangezien grafeen toch wel 5-10 nm breed zal moeten zijn, terwijl de diameter van een CNT 1-2 nm is. Grote kans dat beide uiteindelijk op een plek terug te vinden zullen zijn in toekomstige chips en microsensoren. Maar ik betwijfel of dat al voor 2020 op grote schaal het geval zal zijn.

[Fjerpje]

Het wil niet zeggen dat als er een paar overgrote chipboeren geld in iets steken dan dat het andere er gewoonweg eerst niet komt. Apple heeft nu ook z'n eigen chip fabrikant en zo zijn er nog wel een paar meer. Gezien het feit dat de technologie tegenwoordig uit de pan vliegt en grafeen onvoorstelbaar toepasbaar is, ben ik wel hoopvol over de eerste grafeen productie over 10 jaar; al zou het maar in de elektronica van defensie zitten.

Grafeen in combinatie met fotonen geleiders op circuit bordjes is echt iets waar je van kan dromen.

Als je ziet dat er in 2008 nog gezocht werd naar beter substraat om het allemaal vast te plakken en nu dan een paar schakelingen hebben ontwikkeld:
http://www.hardware.info/...geleider_van_de_toekomst/

[Reactie gewijzigd door Fjerpje op 23 juli 2024 00:32]

[timberleek]

Ach de ontwikkelingen gaan heel snel.

Ik vond vorige week op school een bergje NORBITS:
http://www.akh.se/tubes/jpg/norbits.jpg

dingen van centimeters groot, waarin een schakeling gewoon werd opgebouwd uit losse onderdelen en dan in plastic gegoten.

Kijk eens waar we nu al zijn

[robvanwijk]

Hoe dicht is dit bij massaproductie?

Gokje: mijlenver verwijderd. Maar dat hou je toch; het is erg onwaarschijnlijk dat je een radicaal nieuwe technologie bedenkt (zeker op een schaal als deze) die meteen rijp is voor massaproductie.

Ik verwacht natuurlijk niet dat we hier volgend jaar gebruik van kunnen maken, maar ik vraag me wel af of dit binnen een decennium een gebruikelijke techniek voor (bijvoorbeeld) high-end apparatuur kan vormen.

Mag ik daar over tien jaar antwoord op geven?

Zijn er nog meer technieken die dezelfde of zelfs hogere snelheidswinsten beloven te halen, en zijn ze, of een of meerdere ervan, reeeler of op kortere termijn vatbaar voor massaproductie?

Als ik het bronartikel lees, en dan vooral deze regel:

Third, the writing is an extremely fast technique. These nanostructures can be synthesized at such a high rate that the approach could be very useful for engineers who want to make nanocircuits.

dan weet ik nog steeds niet of dat echt snelheidswinst is ten opzichte van huidige lithografische technieken of dat het "alleen maar" niet langzamer is (en slechts "extremely fast" vergeleken met de andere nieuwe technieken, die zijn meestal zeer veel langzamer dan de huidige technologie).
Overigens, het is niet alleen snelheidswinst bij het "tekenen van de lijntjes" zelf, het wordt ook teruggebracht tot één processtap. Hoeveel stappen je precies bespaart ten opzichte van de huidige technieken kan ik zo niet zeggen, maar drie of vier (per metal layer!) heb je er al snel te pakken en dat op zich is al een hele prestatie!
Het is al best lastig om van een enkele experimentele techniek te voorspellen wanneer die geschikt is voor massaproductie, zeker op basis van alleen maar een kort berichtje. Zo even snel alle nieuwe technieken met elkaar vergelijken en voorspellen welke als eerste productierijp is en wanneer dat dan is lijkt me niet te doen.

Kort samengevat: prachtig resultaat, lijkt veelbelovend. Maar op welke termijn precies en hoe veelbelovend is nog nauwelijks te zeggen (tenzij je de originele bron: "The research appears in the June 11, 2010, issue of the journal Science." erbij haalt, misschien staan daar meer aanknopingspunten in).

[Auredium]

Ik ben hier wel in geinteresseert. Is grafeen een zeldzaam materiaal? Heeft iemand de Engelse benaming van grafeen want babelfish is niet lief?

Verder wel vreemd dat wij de wet van Moore moeten opvolgen en de wet van Moore niet automatisch van kracht is op de normale ontwikkeling.

@iMispel; Thanks

[Reactie gewijzigd door Auredium op 23 juli 2024 00:32]

[robvanwijk]

Grafeen bestaat volledig uit koolstof.

De techniek werd getest op grafeen dat is gemaakt van siliciumcarbide en grafietpoeder

Grafietpoeder ~= potloodstaafje. En als je echt wilt kun je desnoods koolstof winnen uit CO₂, dat hebben we toch meer dan genoeg.

Het speciale aan grafeen is dat het een enkel laagje koolstof is, terwijl grafiet in bijvoorbeeld een potloodstiftje bestaat uit zeer veel, net niet helemaal netjes gestapelde, laagjes. Dus op een bepaalde manier is grafeen inderdaad zeldzaam, maar we kunnen relatief eenvoudig meer maken en de grondstof daarvoor, grafiet, zal niet snel opraken.

Verder wel vreemd dat wij de wet van Moore moeten opvolgen en de wet van Moore niet automatisch van kracht is op de normale ontwikkeling.

De "wet" van Moore begon als de "observatie" van Moore. Aanvankelijk stelde Moore vast dat in het verleden zo'n toename had plaatsgevonden. Daarna werd het de "wet" (of beter: "self-fulfilling prophecy") van Moore: iedereen in de ICT gaat er vanuit (in de planning) dat deze "wet" voorlopig nog wel even blijft gelden. Nieuwe software die bijvoorbeeld drie jaar in ontwikkeling is, gaat er vanuit dat, zodra het op de markt komt, computers weer sneller zijn geworden. Dat klopt ook, want als AMD nu een CPU aan het plannen is dan doen ze dat aan de hand van de wet van Moore (omdat Intel het ook doet en Intel doet het omdat AMD het doet). Idem voor GPUs van nVidia en ATI. De wet van Moore heeft werkelijk niks met een natuurwet te maken en zal daarom ook nooit automatisch van kracht zijn.

@klaasbram:
Argh, je hebt helemaal gelijk; als ik het uitleg moet ik het ook goed doen, anders is Fjerpje me voor.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 23 juli 2024 00:32]

[The-Source]

Hoewel offtopic,
De wet van Moore heeft helemaal niets met snelheden van cpu's te maken. En al helemaal niks met GPU's
In de Wet van Moore wordt beschreven dan het aantal transistors per 2 jaar grofweg zal verdubbelen.

[Fjerpje]

Je mag aannemen dat als transistoren verdubbeld worden, met voorwaarde dat de verkleining ervan ook geldt, dat snelheden zullen toenemen en dan met name van GPU's en CPU's. Als je in het verleden kijkt en dit op de toekomst zult toepassen dan kun je deze aanname als een feit zien indien er geen alternatieven worden ontwikkeld die de toepasbaarheid van de transistor overbodig zal maken als je het heel specifiek wilt zien.

[Freee!!]

Grafeen is niet zeldzaam, is gewoon een zeer zuivere (en dunne) vorm van kristallijn koolstof. Grafiet is een stapeling van grafeen.

[iMispel]

Wikipedia is your friend...: Graphene

(Ik gebruik altijd wikipedia om technische termen te vertalen: Bij een alleenstaand woord kan je geen context meegeven in een vertaal robot. Bij wikipedia kun je eerst aanduiden wat je bedoeld. (bv kraan) om daarna een andere taal te kiezen. Dit volledig off topic... maar toch handig hé)

[Verwijderd]

epitaxiaal geproduceerd grafeen

Wat mag dat zijn? Na wikipedia en vandale raadplegen weet ik nog niks.

[Sten Vollebregt]

DIt is eigenlijk een heel verwarrende term, aangezien grafeen epitaxie eigenlijk het tegenovergestelde is van standaard epitaxie.

Bij normale epitaxie wordt een laag atomen door reacties op het oppervlak van een substraat gevormd. Het mooie van epitaxie is dat deze laag dezelfde kristalstructuur heeft als de onderlaag, mits het type atomen natuurlijk hetzelfde is.

Bij grafeen 'epitaxie' gebruikt men een SiC substraat, dus bestaande uit zowel Si asl C atomen. Dit substraat wordt vervolgens onder een erg lage druk verwarmd tot 1400-1500 graden. Bij de juiste condities verdampen de Si atomen uit het substraat, terwijl de C atomen achterblijven. Uiteindelijk kan je hierdoor dus een enkele laag C atomen overhouden op het oppervlak: grafeen. Zoals je wellicht kan voorstellen is de controle over dit proces zeer moeilijk door de hoge temperaturen en lage druk.

Edit: typo

[Reactie gewijzigd door Sten Vollebregt op 23 juli 2024 00:32]

[Prototype666]

De verschillende componenten worden met epitaxiale groei gemaakt. Epitaxie is het doen groeien van een één-kristallijne laag op een één-kristallijn substraat met behoud van de continuïteit van het kristalrooster.

Hier gevonden.

edit: http://en.wikipedia.org/wiki/Epitaxy <-- engelse wiki over het onderwerp

[Reactie gewijzigd door Prototype666 op 23 juli 2024 00:32]

[TheNephilim]

"Bij temperaturen boven de 130 graden Celcius wordt het isolerende grafeenoxide gereduceerd en wordt het geleidend"

Is het alleen dan geleidend en dus bruikbaar, of lees ik het gewoon verkeerd?

[Freee!!]

Je leest het verkeerd hoewel ik moet toegeven dat ik de formulering ook niet optimaal vind. Na reductie en afkoeling blijft geleidend grafeen over in plaats van het isolerend grafeenoxide.

[robvanwijk]

In deze context is "gereduceerd" een bepaald type chemische reactie. Zodra die reactie eenmaal heeft plaatsgevonden (en er daarna geen oxidatie-reactie, het tegenovergestelde van een reductie-reactie, plaatsvindt natuurlijk) blijft dit effect intact en blijft het "draadje" dus geleidend.

Waar jij aan zit te denken is bijvoorbeeld supergeleiding: onder een bepaalde temperatuur treedt dat op, maar het verdwijnt weer als je terug boven die temperatuur komt.

[the_stickie]

Het reduceert, welke een chemische reactie is en dus in principe onomkeerbaar.http://nl.wikipedia.org/wiki/Redoxreactie

[JoostyBoy]

... en dus in principe onomkeerbaar.

Bij het produceren van bv. ijzer uit ijzererts, word het ijzeroxide gereduceerd dmv hoge temperaturen en toedienen van koolstofmono-oxide (CO). Deze CO wordt verkregen door de brandstof (cokes) en toedienen van zuurstof (O₂).

Reactievergelijkingen:

Cokes + zuurstof → koolstofmono-oxide (oxidatie van C)
2 C + O₂ → 2 CO

IJzeroxide + koolstofmono-oxide → ijzer + koolstofdioxide (reductie van Fe₂O₃)
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

De reactie kan ook rechtstreeks bij hogere temperaturen:
2 Fe₂O₃ + 3 C → 2 Fe + 3 CO₂

Er zullen wellicht mensen zijn die een mooie gietijzeren (hout)kachel in de tuin (evt. op een terras) hebben staan. Zo'n bonk metaal roest in no-time! Roesten = oxideren.
De reactie is dus wél omkeerbaar (helaas). Maar volgens mij wordt zoiets voorkomen met lak op je printplaat.

Jep, ik ben bijna klaar met mijn MBO Laboratoriumtechniek

bron: Wiki - Iron: Industrial production

[Freee!!]

Kleine kanttekening:
IJzererts is vrijwel altijd Fe₃O₄, een mengsel van Fe₂O₃ en FeO. De aanpassingen aan de chemische reactie vergelijkingen laat ik aan de student

[Reactie gewijzigd door Freee!! op 23 juli 2024 00:32]

[JoostyBoy]

Haha, klopt! Maar ik wilde het simpel houden!

Speciaal voor jou:
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂ &
FeO + CO → Fe + CO₂

[antiekeradio]

welke een chemische reactie is en dus in principe onomkeerbaar

fixed

sinds wanneer zijn chemische reacties onomkeerbaar, volgens jou?

[Dekker3D]

natuurkundige processen hebben altijd een tegenhanger. als iets gasvormig wordt door hitte, wordt het weer vloeibaar door kou, bijvoorbeeld. chemische processen worden daarentegen niet automatisch omgekeerd door iets in de oude omgeving terug te brengen.

het is niet onomkeerbaar, maar het keer niet automatisch om.

[Verwijderd]

Gaaf. Ik vraag me inderdaad ook af hoe snel dit in productie genomen kan worden; ze zijn natuurlijk al sinds 2007 hiermee bezig.

Over de andere technieke die in de buurt kunnen komen, volgens dit Tweakers artikel is er niets vergelijkbaars met een zelfde snelheidswinst:

'Grafeen is snelste alternatief voor silicium'

[the_shadow]

Wat dit betreft is het niet "al sinds 2007", maar "slechts sinds 2007". Als ik het goed lees zijn ze er nu in gelukt om circuits te maken, maar is het daadwerkelijk in productie nemen van deze techniek nog een behoorlijk eind weg. Silicium circuits zijn ook niet in 3 jaar ontwikkeld.

[WeedTiger]

Dam 12 nanometer alweer, wanneer zal dit in productie gaan?

[Verwijderd]

Dit zou een goede stap voorwaarts kunnen zijn om sneller schakelende chips te produceren. Bijkomend (wel wenselijke) voordeel is dat chips dan weer kleiner worden, minder stroom verbruiken en dus in theorie langer zouden kunnen 'leven'.

[Marathir]

Kijk, nu daar nog supergeleidende qbits van maken... tot over 2 jaar ;-)

Maar alle gekheid op een grafeen wafer... een zeer nette ontwikkeling dit. Ik denk dat ik maar eens uit ga kijken naar de massaproductie van dit speelgoed...

[shaloca]

Vaker lees je dat onderzoekers, op kleine schaal iets hebben gecreerd. Om dit op grote schaal concurrend te doen is weer wat anders. Natuurlijk hopen we dat hiermee de chips en de SSD' nog sneller worden in 5 jaar, maar het zal eerder 10 jaar zijn.

[atimar]

mooie ontwikkeling
maar ik ben toch bang dat tegen de tijd dat er iets daarwerkelijk mee geproduceerd kan worden, dat de huidige techniek zo veel verder verbeterd is dat dit resultaat volledig achterhaald zal zijn