Onderzoekers ontwikkelen siliciumalternatief

Door gebruik te maken van een alternatief materiaal voor silicium denken onderzoekers transistors te kunnen bouwen die kleiner zijn dan met silicium mogelijk is. Ook zouden de transistors zuiniger zijn dan conventionele exemplaren.

Het nieuwe materiaal, molybdeniet genaamd, zou niet alleen een alternatief voor silicium zijn; het zou ook een van de meest veelbelovende alternatieven, grafeen, voorbijstreven. Grafeen heeft namelijk geen band gap, een vereiste eigenschap voor halfgeleiders. Molybdeniet, ook bekend als MoS₂, heeft wel een band gap, wat de inzetbaarheid als halfgeleidermateriaal mogelijk maakt. De band gap van molybdeniet is te overbruggen bij een spanning van 1,8V, waarmee het materiaal goed bruikbaar is in elektronische schakelingen. Bovendien is molybdeniet, net als grafeen, te produceren als een tweedimensionale laag moleculen. Daarmee is het materiaal slechts 0,65 nanometer dik.

In een enkele laag molybdeniet van 0,65nm kunnen elektronen zich even makkelijk bewegen als in een laag silicium van 2nm dik, zo ontdekten de onderzoekers van het Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures, ofwel Lanes. Dat zou kleinere transistors mogelijk maken dan met op silicium gebaseerde halfgeleiders mogelijk is. De transistors zouden volgens een van de mede-auteurs van het Zwitserse onderzoeksinstituut École Polytechnique Federale de Lausanne, standby honderdduizend maal minder energie vergen dan siliciumtransistors.

Voor het prototype fet maakten de onderzoekers gebruik van een monolaag MoS₂, dat als channel dienst deed. Het substraat bestond uit een laag siliciumoxide op gewoon silicium en de gate werd geconstrueerd met hafniumoxide als dielektrisch materiaal. De elektrodes werden van goud of een titaan-goud-legering gemaakt. De lekstromen bleken minder dan 2pA per vierkante micrometer te bedragen. Vooralsnog leent het MoS₂ zich niet voor massaproductie; de monolagen van het materiaal werden in het onderzoek met een plakbandje van een kristal losgetrokken, net zoals dat enkele jaren geleden met grafeen gebeurde.

Reacties (44)

[Jolke]

Waarom hebben die onderzoeker er een top-gate FET van gemaakt?
Ze gebruiken n-doped silicium als substraat, wat ook gate/dielectricum gebruikt kan worden. Si is dan de gate, SiO₂ het dielectricum. Dan hoef je ook niet het dure hafniumoxide te gebruiken.

Ja, ik heb het artikel goed gelezen, het molybdeensulfide is een vervanging van het halfgeleidende Si. Dit is onafhanhelijk van het D/S/G materiaal.

[edit:]
Ok, ik lees net in het originele artikel (klik) dat HfO₂ gebruikelijk materiaal is voor transistoren - wist ik niet
En ze gebruiken de setup als een sandwhich van twee FETs op elkaar, waarbij zowel de top-gate (bovenop) en het Si onderop als gate-electroden gebruikt wordt.
Overigens krijgen ze een mobiliteit van 217 cm²/V.s, wat niet hoog is vergeleken met de mobiliteit van Si of grafeen (zie hier). Maar dat is dan ook niet het doel van het onderzoek geweest. Wat de onderzoekers aantonen is dat een laagje van 6.5 Å MbS₂ een vergelijkbare mobiliteit heeft als een 2 nm 'dikke' laag Si. Hierdoor kun je meer transistoren per oppervlak/volume kwijt.

[Reactie gewijzigd door Jolke op 27 juli 2024 17:16]

[Wolfos]

En is dit materiaal minder zeldzaam als Silicium?

[Freee!!]

Niet echt, silicium komt vrij veel voor (elk strand ligt er vol mee), maar de materiaaleigenschappen zijn wat gunstiger voor bepaalde toepassingen.

[boombes]

Het klopt wat je zegt echter is het zand waar jij over praat vervuild siliciumoxide (SiO2) en heeft hierdoor geen goede eigenschappen voor er o.a. wafers van te bakken. Over het algemeen wordt er zilverzand voor gebruikt.hier moet je kwartszand, zilverzand of witzand hebben en dit is een fijnkorrelig, wit, uiterst zuiver zand met een laag ijzergehalte. Het bestaat bijna geheel uit kwarts (SiO2).
Alleen deze kwarts wordt ook gebruikt om glas te maken.
Mischien nog een leuk wetenswaardigheidje: Kwarts wordt ook gebruikt als hitteschild van de space shuttle en wordt gewonnen in nederland (heerlen). Dit omdat kwarts uitstekende warmte bestendige eigenschappen heeft.

Omdat dit geheel uit kwarts bestaat bezit het de "echte" eigenschappen van zand. Omdat er zoveel types zand zijn is het maar de vraag of je van echte eigenschappen mag spreken.

Omdat molybdeen al niet heel veel beschikbaar en molybdeen veel wordt toegepast in de metaalindustrie om legeringen (met name rvs) te maken is het maar de vraag of dit een echte vervanger wordt of alleen blijft weggelegd hightech toepassingen.

Links: Molybdeniet: http://nl.wikipedia.org/wiki/Molybdeniet
Zand: http://nl.wikipedia.org/wiki/Zand
SiliciumOxide: http://nl.wikipedia.org/wiki/Zilverzand

[Verwijderd]

Qua hoeveelheid zal er niet zo veel in chips gaan, zeker niet als je het vergelijkt met de hoeveelheden die voor het maken nvan legeringen gebruikt worden.

[boombes]

Dat is juist het punt dat ik probeer te maken. De legeringen worden steeds meer gebruikt en dan is de vraag groter dan het aanbod en zal uiteindelijk de prijs gaan stijgen. Dus de Si chips zullen duurder gaan worden maar dit geld natuurlijk ook voor de molybdeen chips. Het blijft een wip en het is koffiedik kijken welke kant dat die opslaat.

[Zewatanejo]

Silicium komt inderdaad zeer veel voor, maar volgens mij is er voor halfgeleiders een zeer zuivere vorm nodig, wat extra zuivering en dus ook extra kosten met zich mee brengt.

[flamingworm]

idd, silicium gebruikt in de elektronica moet 99.99999% zuiver zijn, wat het uiteraard heel erg duur maakt. Dat neemt niet weg dat silicium het meest voorkomend element is in de aardkorst.

[tweaker2010]

In zand zit siliciumdioxide. Het is het meest voorkomende element na zuurstof en bestanddeel van bijna alle gesteenten.

"Pure silicon (>99.9%) can be extracted directly from solid silica or other silicon compounds by molten salt electrolysis"http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon

[Wolfos]

Ik was onder de overtuiging dat Silicium zeer zeldzaam was, dat zal dan wel iets anders zijn.

[Kees]

Silicium is, op zuurstof na, de meest voorkomende stof in deze aarde (in diverse verbindingen, dat dan weer wel).

[Grrrrrene]

Volgens mij vergeet je ijzer, dat staat nog boven zuurstof qua aandeel in de samenstelling van de aarde (bron)

Maar silicium is inderdaad alom aanwezig Als je je alleen al bedenkt hoeveel chipjes je met het zand uit een gemiddelde woestijn zou kunnen maken...

[Reactie gewijzigd door Grrrrrene op 27 juli 2024 17:16]

[tilburgs82]

maar ijzer zit voornamelijk in de kern, Lijkt me niet echt makkelijk delven. silicium (zand ofwel siliciumoxide) is overal te krijgen.
Maar dit is niet gemaakt omdat silicium moeilijk/zeldzaam te krijgen is, maar omdat je met molybdeniet kleinere transistors kan bouwen, die zuiniger zijn (zie artikel).

[Simyager]

Dan kunnen we zeggen dat water het meest voorkomende element is, 70% van de oppervlakte van aarde is water. Het is gewoon wat je defineerd.

//Ontopic

Een beetje zoeken op het internet en je merkt dat het MoS₂ niet echt zeldzaam kan zijn. In feite is het een zeldzame aardmetaal, wat me op een andere idee brengt.

China wil niet meer zeldzame aardmetalen meer exporteren, dus zal het Westen toch nog nieuwe mijnen moeten openen om deze stoffen te kunnen delfen.

Of gewoon uit Afrika halen zoals nu met groente en fruit. Maargoed daar hebben Chinezen ook heel veel mijnen/stukken grond gekocht . Echt geweldig die Chinezen , zoveel mogelijk grondstoffen toe eigenen. Het zijn bijna Europeanen uit de koloniale tijden, alleen dan zonder geweld, maar met geld. Althans voor nu .

[Finraziel]

Water is geen element...

[Simyager]

@finraziel

Tuurlijk wel je hebt 4(of 5? ) elementen: Water, Vuur, Aarde en Lucht .

[-Sander1981-]

@Simyager
Tegenwoordig weten we beter, en bestaan stoffen in de volgende stadia:
Vloeibaar, plasma, vast en gasvormig

+1 voor de film trouwens

[Reactie gewijzigd door -Sander1981- op 27 juli 2024 17:16]

[OddesE]

Waterstof dan...

[bamboe]

lol, het is wat wiki defineerd....
(valt mij op dat tegenwoordig iedereen in zijn posts wiki er bij haalt als bewijs.)

[Tiesk]

Had toch wel verwacht dat koolstof ook wel in de top zoveel zou staan......


edit: plaats 15 dus

[Reactie gewijzigd door Tiesk op 27 juli 2024 17:16]

[Bonez0r]

Maar als je kijkt naar Samenstelling van de aardkorst (en dat is het deel waar we onze materialen vandaan halen) dan staat daar SiO₂ bovenaan met bijna 60%.

[Reactie gewijzigd door Bonez0r op 27 juli 2024 17:16]

[.oisyn]

Silicum is het 8e meest voorkomende element in het universum, en 28% van de aardkorst bestaat uit silicum. Dus nee, het is niet zo zeldzaam . Maar weer niet in pure vorm trouwens, het komt over het algemeen op aarde voor in verbindingen als silicumdioxide.

@ hieronder: je hebt gelijk, ik raak nogal eens in de war met de engelse terminologie (silicon), en dan krijg je van dat soort halfbakken combinaties

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 27 juli 2024 17:16]

[Rone]

Het is silicium, niet silicum.

[Greyfox]

Zand is wel de basisgrondstof, maar dat is volgens mij woestijnzand en geen strandzand.

[FreezeXJ]

't maakt niet gek veel uit waar het vandaan komt, maar het moet niet te veel vervuiling bevatten. Zeezand (ivm zouten en andere opgeloste spullies) lijkt me idd geen goede keus, maar of het uit de woestijn komt (daar hebben we genoeg) of van onder de groene zoden maakt dan niet veel meer uit.

[Verwijderd]

Molybdeniet komt voornamelijk voor in hydrothermale aders van hoge temperatuur. Belangrijke afzettingen van molybdeniet bevinden zich onder meer in de Verenigde Staten in de staten Colorado, New Mexico en Idaho, daarnaast in China en in Canada. Verder komt molybdeniet voor in bepaalde koperertsafzettingen die zich bevinden in met name Chili, Mexico, Peru en de Verenigde Staten. Molybdeniet kan dan worden gewonnen als bijproduct van de kopermijnbouw.

Het is dus niet echt zeldzaam, maar vanzelfsprekend is silicium veel makkelijker te vinden (overal).
Gelukkig ligt zo te zien de grote voorraad in westerse landen, en niet in politiek minder stabile. Dus een probleem zoals met de zeldzame metalen zullen we niet snel hebben.

[Aham brahmasmi]

[...]

Gelukkig ligt zo te zien de grote voorraad in westerse landen, en niet in politiek minder stabile. Dus een probleem zoals met de zeldzame metalen zullen we niet snel hebben.

Dat is niet gegarandeerd. De zeldzame aardmetalen die in China gedolven worden zijn bijna overal wel aanwezig in lage concentraties (m.a.w. er zijn geen aders/deposits), waardoor het arbeidsintensief is om redelijke hoeveelheden te produceren. China is een van de weinige plekken waar dit door de lage arbeidskosten kosteneffectief kan worden gedaan.

[Ryen]

Silicium is absoluut niet zeldzaam. Er zijn zeer veel mineralen die silicium bevatten. De aardkorst bestaat voor ruim een kwart uit Silicium.
De productie van zeer zuiver silicium is wel kostbaar, maar dat geldt ongetwijfeld voor alle halfgeleider-grondstoffen.

[Verwijderd]

Het grote probleem, net zoals bij grafeen blijgt dus het produceren van de enkele laag moleculen. Veelbelovend is het zeker.
Het enige dat niet uit het artikel op te maken is, is dat het sneller of juist minder snel zou kunnen schakelen dan traditioneel silicium. Qua verbruik en formaat zijn de troeven zeken in handen.

@Wracky: Molybdeniet is een 'abundant' materiaal. Het komt veel voor in de natuur en is eenvoudig te verkrijgen. Het wordt (volgens bronartikel) nu al gebruikt in smeermiddelen en metaal-legeringen.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 17:16]

[Sten Vollebregt]

De snelheid van transistoren wordt grotendeels bepaald door de mobiliteit van de ladingsdragers. Deze is na wat zoekwerk niet bijster hoog voor MoS2, maar blijkbaar (0.5-3 cm2/Vs) hebben deze onderzoekers het voor elkaar gekregen de wat hogere mobiliteit van 200 cm2/Vs te verkrijgen (link). Vergeleken met de mobiliteit van silicium (1350 cm2/Vs) en grafeen (>10000 cm2/Vs) niet bijster hoog dus. Kanntekening hierbij is wel dat dunne lagen silicium over het algemeen een lagere mobiliteit hebben, grafeen is al een monolaag dus dat kan niet dunner. Hafniumoxide is trouwens hetzelfde high-k gate oxide wat door bijvoorbeeld Intel wordt gebruikt.

Kortom dit materiaal lijkt me vooral interessant in low speed oplossingen waarbij dunne en zuinige lagen interessant zijn (denk aan TFT displays). Voor high speed elektronica of RF toepassingen blijven naast Si, andere materialen interessant (Si-Ge, GaN, grafeen, SiC, GaAs en ga zo maar door).

[Toontje_78]

Mobiliteit is evenredig aan de lekstroom voor het pure materiaal. p en n doping is nodig om elektronen en gaatjes mobiliteit te verschaffen.

[Sten Vollebregt]

Mobiliteit geeft aan hoe makkelijk ladingsdragers zich door en kristalrooster kunnen bewegen door een aangebracht elektrisch veld. Dit is een materiaaleigenschap die in principe niets te maken heeft met dotering. Sterker nog een hoge dotering verlaagt de mobiliteit aangezien het meer defecten introduceert in het rooster waardoor er een grote kans op scattering is.

Een hoge dotering heeft wel invloed op de geleidbaarheid van het materiaal: rho = n.e.mu, waarbij rho de geleidbaarheid is, n het aantal ladingsdragers, e de lading van een electron en mu de mobiliteit. Bij een hogere dotering zijn er meer vrij ladingsdragers en heb je dus een lagere weerstand, hoewel de mobiliteit ligt afneemt.

De lekstroom van een transistor hangt af van hoe makkelijk electronen door de isolatielagen kunnen tunnelen. Hierbij zit weinig evenredigheid met de mobiliteit, dit hangt af van tunneling door het oxide.

[Aham brahmasmi]

Kortom dit materiaal lijkt me vooral interessant in low speed oplossingen waarbij dunne en zuinige lagen interessant zijn (denk aan TFT displays).

De TFT-matrix is toch niet de grootverbruiker in een LCD? Dat is de backlight (m.a.w. een zuinige TFT-matrix helpt niet veel).

[Origin64]

De materiaalkosten vallen in het niet ij de R&D-kosten en productiekosten van de processors en andere electronica die hiermee gebouwd zullen worden. En daar gaat het de meeste Tweakers toch wel om. Kleinere transistors => kleiner, sneller, zuiniger, beter.

Ik zie trouwens niet echt in waarom er niet gewoon een aantal apparaten gebouwd kunnen worden die stukjes plakband op kristallen plakken en weer lostrekken. Met de huidige stand van de techniek en het feit dat plakband ook een abundant materiaal is moet dat mogelijk zijn. En hier is het :P'tje voor diegenen zonder gevoel voor humor.

[knirfie244]

Maar hoe zit het met gedrag over temperatuur?

De reden dat silicium veel gebruikt wordt als halfgeleider ipv de diverse al bestaande alternatieven, is dat silicium zijn halfgeleider eigenschappen behoudt over een groot temperatuurbereik. Dit is bijvoorbeeld voor Germanium (dat voor sommige specialistische componenten wordt gebruikt) niet het geval.

[Verwijderd]

De band gap van molybdeniet is te overbruggen bij een spanning van 1,8V

De Band Gap is in Electron Volt (eV).

Ik ben er ene tijdje uit, maar is het niet zodat hoe hoger de Band Gap hoe hoger de drempelspanning en dus ook de voedingsspanning van het IC en ook het opgenomen vermogen.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 17:16]

[Wracky]

't Zou toch mooi zijn als ze semi-conductors konden blijven maken van materiaal wat goedkoop en veel voorhanden is zoals silicon of koolstof voor grafeen.

[Countess]

MoS2 is totaal niet zeldzaam.
de gouden of titanium elektrodes worden van die materialen gemaakt omdat ze niet reageren met bijna alle stoffen. dat maakt het onderzoek gemakkelijker (minder factoren om rekening mee te houden, geen kans op vervuiling of verandering door chemische reacties ect).
maar er is geen reden waarom die stoffen niet vervangen kunnen worden door veel meer voorhande zijnde materialen als ze van de onderzoeks fase naar de productie fase gaan (als dat er ooit van komt... enkele laags atom diktes maken is nog steeds nogal primitief.)

[Reactie gewijzigd door Countess op 27 juli 2024 17:16]

[jerrythealien]

Totaal niet zeldzaam?

Neem eens een kijkje hier, dit is de site van het IMOA - de International Molybdenum Associaton.
Hier is sprake van een werelwijde reserve van 19 miljoen ton, echter dit getal moet je echter met een korrel zout nemen want de reserves zelf zijn niet van belang.
Wat van tel is is de hoeveelheid van deze reserves die kunnen omgezet worden tot bruikbaar product per tijdseenheid en tegen een bepaalde kost.
Als je metaal een bijproduct is van mijnbouw dan kan je bv niet zomaar een productieverhoging doorvoeren, en de vraag is maar of het rendabel zou zijn om het als individueel product boven te halen. Op de site is er sprake van ertsconcentraties van 0.01% tot 0.25%. Eenvoudig gesteld liggen de kosten voor die 0.01% een factor 25 hoger.

Ik raad je aan het ontnuchterende boek van jullie landgenoot André Diederen - Global Resource Depletion eens te lezen. Dat boek gaat dieper in op de metaalproblematiek die er voor de ganse high-tech economie zit aan te komen...

[Reactie gewijzigd door jerrythealien op 27 juli 2024 17:16]

[HerrPino]

Volgens dit 'artikel' heeft iedere plant en ieder dier een beetje van dit materiaal nodig om uberhaubt te kunnen leven.

http://www.hetties.co.nz/...ingle_product.php?prod=82

Het zal dus wel overal te vinden zijn, misschien alleen in minimale hoeveelheden.

[Left]

Uit Wikipedia:

De belangrijkste molybdeenmijnen zijn te vinden in de Verenigde Staten en China.

Straks zijn we nog afhankelijker van China, lijkt me geen goed idee om dit grootschalig te gaan gebruiken.

[DarkKnight]

Alleen al het feit dat er ook de VS (en Canada/Peru/Mexico/Chili) bestaat, is juist een redelijk pluspunt. Vergelijk dit met veel van de zeldzame metalen en andere belangrijke grondstoffen en je zal zien dat die meestal alleen in China te winnen zijn.
Dus, dit is zeker niet slecht qua mogelijke winplaatsen. Leuker zou zijn als er ook in Europa waren, maar je kan niet alles hebben natuurlijk.

[Twpk]

'Scotch-tape'-methode wordt ook nu nog veel gebruikt. Je moet wel de Crystal Clear tape versie nemen

[ReDnAx1991]

Silicium is niets anders als zand, alleen om het als halfgeleider te kunnen gebruiken heb je de kristalijne vorm van Si nodig

Zand daar in tegen is de amorfe vorm (een vorm van de stof onder zijn stollingstemperatuur, die niet vloeibaar of kristalijn is) de structuur van zand in moleculen uitgedrukt is dus een chaos, in tegenstelling tot kristalijn waarbij de moleculen netjes in een rooster zijn gevormd.