Visualisatietechniek toont nut grafeen als bouwsteen voor halfgeleiders

Door verschillende lagen grafeen opeen te stapelen zouden bouwstenen voor elektronische componenten gebouwd kunnen worden. Wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om de verschillende lagen te bekijken.

Onderzoekers doen sinds de ontdekking van grafeen, een 'tweedimensionale structuur' van koolstofatomen die eruit ziet als kippengaas, naarstig onderzoek naar de eigenschappen ervan en mogelijke toepassingen. Een van de resultaten daarvan is de inzetbaarheid van grafeen als halfgeleidermateriaal. Door verschillende lagen met steeds andere elektrische eigenschappen opeen te stapelen, ontstaan de gewenste eigenschappen. Een goede visualisatiemethode om die gelaagdheid te controleren, werd door onderzoekers van de universiteit van Manchester ontwikkeld.

Zij kunnen met de nieuw ontwikkelde visualisatietechniek de driedimensionale structuur van het materiaal bekijken en eventuele fouten in de productie opsporen. De methode behelst het uitsnijden van een 'taartpunt' van grafeenlagen met behulp van een ionenbundel. Analyse van de laagjes wees uit dat zelfs een tienlaagse structuur nagenoeg perfect was, wat massaproductie en toekomstige inzetbaarheid zou beloven. Verontreinigingen die tijdens de productie van grafeen in het materiaal terecht kwamen, bleken zich op te hopen in clusters, zodat de functionaliteit van de grafeenstructuren, zoals transistors opgebouwd uit verschillende lagen halfgeleidend grafeen, niet in gevaar kwam.

Reacties (26)

[South_Styler]

Steeds meer en meer onderzoek toont aan dat grafeen binnen een paar jaren een zeer belangrijke rol gaat spelen in de computerwereld. Dit soort uitvinden zullen dat proces alleen maar versterken.
Waar ik echter niet in thuis ben is hoe duur grafeen op dit moment van schrijven is om te gebruiken.

[Sten Vollebregt]

Extreem duur, dit omdat grafeen productie op een volume nodig voor waferscale productie niet of nauwelijks bestaat.

Grafeen is als eerst gemaakt door met plakband plakjes grafeen van grafiet af te halen. Grafiet zoals in potloden is namelijk niets meer dan duizenden (of véél meer) schilletjes grafeen boven op elkaar. Heb je één atoomlaagje van grafiet afgepeld dan heb je een monolaag grafeen. Je kan je voorstellen dat deze methode met plakband totaal niet opschaalbaar is naar productie op industriële schaal.

Daarnaast kan je grafeen 'groeien' op koper of nikkel via chemische dampdepositie. Dit is relatief goedkoop, maar dan zit je met een laag grafeen op een laag metaal. Je moet dan alsnog een methode vinden om de laag grafeen los te maken en op een wafer te deponeren. Dit kan tot op zeker mate, maar is nog ver van productie.

Een andere populaire methode is om een wafer van silicium carbide te gebruiken (deze wafers zijn al extreem duur, een kleine 10 cm wafer kost zo duizenden euro's). Op zeer hoge temperatuur (1500 C) in hoog vacuum kan je dan het silicium laten verdampen, waardoor je grafeen krijgt. Dit is zover ik weet de enige methode die is aangetoond op wafers van 5-10 cm (de halfgeleider industrie gebruik momenteel 30 cm en stapt binnenkort over op 45 cm).

Kortom het zal nog wel even duren voordat grafeen op groot genoege schaal te fabriceren of te plaatsen valt zodat de industrie het kan gebruiken. Momenteel doen vooral universiteiten onderzoek naar grafeen (wel weer gesponsord door het bedrijfsleven).

[beefstick]

Ter info, een wafer van 3 bij 4 millimeter die 200micron dik is kost ongeveer 5000 dollar. Een 10cm wafer kun je "redelijk goedkoop" krijgen, maar die is niet geschikt om grafeen uit te maken omdat dat ding veel te ruw is. Je moet die wafer eerst polijsten totdat hij nagenoeg atomair vlak is. Iets dat voor SiC extreem duur is, zie waferprijs hierboven en schaal het op. Verder kun je na 1 keer verdampen opnieuw beginnen. Door oppervlakte verruwing na het verdampen kun je de wafer niet opnieuw gebruiken. Je moet dan dus je wafer opnieuw polijsten om nog een keer te kunnen verdampen. Opnieuw duur. Zolang daar geen oplossing voor is gevonden kun je een industrieel proces vergeten. En die oplossing zie ik niet zo snel komen omdat het groeiproces (verdampen van Silicium) inherent die verruwing geeft.

[South_Styler]

Bedankt Sten voor de heldere uitleg!
Hopelijk vinden ze manieren om de kosten te drukken om het te kunnen gebruiken in massaproductie. Het is een veelbelovende techniek.

[-Tom]

Grafeen is koolstof, en naar mijn weten hebben we daar meer dan genoeg van .

[wouter143]

Diamant is ook koolstof, toch zijn diamanten ook redelijk prijzig

[Dominique De B.]

Alleen is voor Diamant OF miljoenen jaren aan natuurlijke compressie nodig om te vormen OF grote fabrieken waar ze het industrieel maken wat ook niet al te goedkoop is!

O.T.
ik hoop dat d.m.v. deze bevindingen de ontwikkeling in de techische sectoren binnenkort weer een extra push krijgen. Wet van Moore anyone?

[Finraziel]

Ja, maar het feit dat het koolstof is zegt dus helemaal niks over of het goedkoop is of niet. Hieronder wordt gelukkig al gezegd dat het wel degelijk heel duur is, ondanks dat het 'gewoon maar koolstof' is.

[Droozle]

Precies. Het materiaal waaruit jouw lichaam is gemaakt kost "in de winkel" een eurootje of drie. Toch is het nog niemand gelukt om voor drie euro in 1 keer een volwassen mens te maken uit de ruwe materialen. Zelfde probleem als diamanten en grafeen: de structuur van het materiaal bepaalt de prijs.

[Dominique De B.]

structuur alleen?
en arbeidskracht? energie? technologie (apparatuur, aanschaf)?
Dit lijken mij allemaal factoren die ook prijsbepalend zijn (ook in deze sectoren), of zie ik dit verkeerd? (A)

[Reactie gewijzigd door Dominique De B. op 22 juli 2024 21:03]

[w4v3g0d]

diamant ontstaat uit koolstof, en diamant is duur omdat het schaars is.
en het proces om van koolstof naar diamant te gaan duurt miljoenen jaren dus is daardoor kost koolstof bijna niks.

[laserdesign]

alleen geslepen diamanten

[firest0rm]

kan iemand mij in jip en janneke taal vertellen wat dit nou uiteindelijk betekent...

[straider]

Afijn, ik weet niet helemaal zeker wat de gedachte achter de 10 lagen is, maar ik kan je denk ik wel wat dichterbij brengen.

Grafeen moet je even zien als een elektrisch geleidbaar velletje koolstof, en een isolatie laagje als een velletje plastic (net als het plastic om je koperen snoertjes). Door een laagje koolstof bovenop een laagje plastic bovenop een laagje koolstof te leggen, heb je twee laagjes grafeen die niet met elkaar in contact staan. Nu komt de truc! Door spanning te zetten op het onderste laagje grafeen, kan je de bovenste laag grafeen geleidbaar maken! Zo werkt een FET transistor. Hier zit een beetje theorie achter met elektronenbanden, maar daar zal ik niet op in gaan.

Het komt er op neer dat je zo een heel heel klein en 1 atoom dikke schakelaar hebt die je aan en uit kan zetten. Het probleem met grafeen is vaak de de schakelaar niet goed uit wil, dit komt (waarschijnlijk) door verontreinigingen en omdat ze de gate (het tweede laagje grafeen) niet dichtbij genoeg krijgen. Waarschijnlijk gebruiken ze daarvoor die 10 lagen.

Het artikel gaat verder eigenlijk over nanotechnologie en werkmethodes, zie daarvoor hier een gaaf filmpje van de gebruikte techniek: http://www.youtube.com/watch?v=vNOpzDViAhE

[Verwijderd]

Waar ze hier op Imec ook mee bezig zijn is het gebruik van grafeen voor organische zonnecellen, grafeen heeft namelijk ook interessante thermische eigenschappen...

mooie dingen zitten eraan te komen!

[rjhe]

En het brandt netjes op tot CO2, waar andere technieken giftige stoffen gebruiken (Cd, As)

[Verwijderd]

Het clusteren van aanwezige verontreinigingen is denk ik wel een van de meest interessante aspecten. Dit kan de failure rate van net wat je produceert drastisch verlagen.

En wie weet zou je het ook andersom kunnen benaderen door opzettelijk bepaalde onzuiverheden te introduceren en op die manier hier opzettelijk structuren mee te bouwen die met standaard synthetische processen niet gemaakt kunnen worden. Misschien een beetje het LEGO idee, bouwen vanuit de elementaire bouwstenen en niet beginnen met half fabrikaten die je vervolgens gaat modificeren.

[taaiewillem]

Is er al iets bekend omtrent de giftigheid voor levende wezens? Ik meende eens gelezen te hebben dat bucky-ballen of fullereen een soorst asbestosis of silicosis zou veroorzaken...

[To_Tall]

zover ik weet is grafeen een afgeleide van koolstof en koolstof brand op met als enige uitstoot co2.. dus als je heelveel verbrand zoals een energie centrale kan het scahdelijk zijn voor mens en dier. maar kleinere schaal een BBQ is de schade minimaal...

dus ik denk dat grafeen een stuk minder milleu onvriendelijk is dan silicium.

[DarkeasterB]

Maar Siliciumdioxide is zand, waar nog geen nadelige milieu effecten van ontdekt zijn

[Rmg]

Ik denk dat TaaieWillem meer bedoelt of er al iets bekend is of de schadelijkheid van nanostructuren van grafeen als je ze inademt.

Iets waar ze eigenlijk nog geen definitief antwoord op hebben ( is het schadelijk en zo ja hoe schadelijk )

Dit is een klein artikel erover edepot.wur.nl/160736