Perfecte 1-atoom transistor (video)

Een bijzondere prestatie op het gebied van micro-engineering: fysici van University of New South Wales in Australië hebben een werkende transistor vervaardigd die bestaat uit slechts een enkel atoom, dat precies is gepositioneerd in een siliciumkristal. De minuscule elektronicacomponent gebruikt een enkel fosforatoom, geplaatst tussen elektroden op atoomschaal.

Tot nu toe zijn 1-atoom transistoren alleen min of meer toevallig ontstaan, waarbij onderzoekers ofwel ernaar moesten zoeken ofwel een werkend exemplaar moesten isoleren uit vele multi-atoom componenten.  "Maar deze is perfect", zegt professor Michelle Simmons, directeur van het ARC Centre for Quantum Computation and Communication van UNSW. "Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond een enkel atoom in een substraat met enorme nauwkeurigheid te kunnen beheersen".

Op het oppervlak van de microscopische component zijn zelfs kleine zichtbare markers geëtst, zodat onderzoekers metalen contacten kunnen aanbrengen en een spanning kunnen aansluiten, zegt onderzoeker dr. Martin Fuechsle.

Klopt met theoretische voorspellingen

"Ons team heeft bewezen dat het echt mogelijk is om een enkel fosforatoom te positioneren in een silicium omgeving - precies zoal we het nodig hebben - met bijna atomaire nauwkeurigheid",  zegt Fuechsle. De component is volgens hem ook opmerkelijk omdat de elektronische karakteristieken exact overeenkomen met de theoretische voorspellingen die zijn gedaan door een team van professor Gerhard Klimeck op de Purdue University in de VS and en door professor Hollenberg op de universiteit van Melbourne.

Scanning tunnelling microscoop  

Het  UNSW-team gebruikte een scanning tunnelling microscoop (STM) om in een ultra-hoogvacuümkamer de atomen aan het oppervlak van het kristal te zien en te manipuleren. Met een lithografisch proces maakten ze functionele componenten van fosforatomen op het kristal en die werden vervolgens bedekt met een niet-reactieve laag waterstof. De waterstofatomen werden met de superfijne tip van de STM selectief verwijderd in nauwkeurig gedefinieerde gebiedjes. Door een beheerste chemische reactie werden vervolgens de fosforatomen opgenomen in het siliciumoppervlak.

Tenslotte werd de structuur ingekapseld met een laag silicium en zijn de elektrisch contacten gemaakt met een uitgekiend systeem van uitlijn-markers op de silicium chip om de metalen aansluitingen op de juiste plaats te krijgen.

Vóór op Moore

Volgens de Wet van Moore zal de transistortechnologie rond 2020 de atomaire schaal bereiken. "Door de ontwikkeling van UNSW liggen we dus voor op het schema en kunnen fabrikanten inzicht krijgen in de manier waarop componenten zich gedragen als we aan de atomaire grens staan", zegt professor Simmons.