Grafeen krijgt concurrent: molybdeniet

Het is belangrijk om te zoeken naar alternatieven voor de siliciumtechnologie. Het was jarenlang mogelijk om de prestaties van chips te verbeteren door de componenten op de chip steeds verder te verkleinen, maar die miniaturisatie begint nu tegen grenzen aan te lopen. Dit jaar zijn er chips op de markt met structuren van 22 nanometer en op dergelijke kleine schaal krijgt de siliciumtechnologie te kampen met problemen als oxidatie en, ten gevolge daarvan,  energieverlies.

Met molybdeniet, of MoS₂ kan elektronica worden verkleind zonder dat zulke problemen optreden, zegt professor  Andras Kis, leider van een onderzoeksteam op het Zwitserse Federale Technologie-instituut EPFL in Lausanne. Zij werken aan de vervaardiging van geïntegreerde logicaschakelingen met vellen molybdeniet. Deze vellen zijn 0,65 nanometer dik en ongeveer 10 meter breed. Ze zijn ‘afgepulkt' van kristallen natuurlijk voorkomend molybdeniet. Van de vellen zijn transistoren gemaakt door ze op een silicium wafer aan te brengen en gouden elektrische verbindingen  aan te brengen.

Plakband

Bij het verkrijgen van de molybdenietlaag werd op dezelfde manier gewerkt als bij het maken van grafeen: de EPFL-onderzoekers gebruikten plakband om een nanolaag van een stuk molybdeniet af te pellen. Het voordeel is dat de elektronenmobiliteit in een laag MoS₂ van 0,65 nm dikte gelijk is aan die van een monolaag silicium van 2 nm dik: namelijk 200 cm²/Vs. "In het laboratorium haalden we zelfs 800 cm²/Vs", aldus professor Kis. Op dit punt verliest molybdeniet de concurrentie met grafeen nog: een grafeenlaag kan 0,35 nm  dik zijn.

Onderzoekers die speuren  naar alternatieven voor silicium gebruiken al jaren grafeen. Er zijn al prototype-transistoren mee gemaakt die op een veel hogere snelheid kunnen werken dan silicium transistoren. "Maar molybdeniet heeft een cruciaal voordeel", zegt Kis. "Het mooie van dit materiaal is dat het soms stroom kan geleiden en soms niet." Om silicium in elektronica te vervangen is een materiaal nodig dat zowel geleidend als niet-geleidend kan zijn, om logische enen en nullen te kunnen maken. Dat wordt mogelijk door een elektrische eigenschap die ‘bandgap'  of bandkloof wordt genoemd. Molybdeniet heeft van nature een bandkloof die geschikt is voor gebruik in elektronica en grafeen heeft dat niet. Om grafeen de geschikte bandkloof te geven zijn complexe technieken nodig, zoals het stapelen van lagen, koelen tot lage temperatuur of uitsnijden in zeer precieze vormen.  

"Iedereen had het maar over grafeen, grafeen, grafeen,"zegt Kis, "dus wij wilden eens naar iets anders kijken." Hoewel het team gebruik maakte van natuurlijk molybdeniet, maar het kan ook eenvoudig worden gemaakt door het metaal molybdeen, dat veel wordt gebruikt in de staalindustrie, te laten reageren met zwavel.

Mix & Match

James Hone bestudeert op de Columbia University zowel grafeen als molybdeniet. Hij zegt dat het Zwitserse team goed werk heeft verricht bij het vinden van een manier om elektronen vanuit de gouden elektrodes vrij in het molybdentiet te laten stromen. De twee materialen maken van nature geen goed contact. Home: "We beginnen in te zien dat het pas echt leuk wordt als we beide 2D-materialen gaan ‘mixen en matchen' op verschillende substraten voor verschillende functionaliteit. Het  gebruik van molybdeniet is al een tijd geleden beschreven, maar nu raken steeds meer mensen geïnteresseerd; de ontwikkelingen gaan zo snel".