‘Exotische materialen’ sluiten vriendschap met silicium

De resultaten worden gepubliceerd in Advanced Materials.

Al verschillende keren hebben Gertjan Koster en zijn collega’s materialen laten zien met bijzondere eigenschappen. Het zijn vaak gelaagde structuren, op de grensvlakken gebeurt het. Daar wordt het materiaal opeens stroomgeleidend of zelfs supergeleidend of optisch transparant. Het zijn materialen waarvoor wel een basis nodig is met een perfecte kristalstructuur. Je zou zeggen: bouw dit soort lagen op silicium, en je kunt mooie nieuwe functies toevoegen aan een halfgeleiderchip. Maar silicium heeft niet de gewenste perfecte structuur en de materialen reageren er chemisch mee reageren, zodat alles kapot kan gaan.

Beschermlaag

Maar nu is er een dunne tussenlaag, slechts 4 nanometer dik, die maakt dat er wel op silicium kan worden gebouwd. Deze laag is gemaakt vaan strontiumtitanaat. Als voorbeeld demonstreren de onderzoekers een materiaal dat gevoelig is voor strain, mechanische spanning. Deze zogenaamde nikkelaten kunnen omslaan van geleider naar isolator door de strain. En dus van 1 naar 0 en weer terug. Een soort mechanisch gestuurde transistor of schakelaar.

Strain engineering

De strain ontstaat als de aansluiting van twee lagen wel past, maar toch een beetje ‘wringt’. Soms is dat ongewenst, maar er zijn ook situaties waarin deze eigenschap is uit te buiten. De strain is bijvoorbeeld te beïnvloeden met de temperatuur tijdens het bouwen van de lagen. Het is al een vak dat ‘strain engineering’ heet. Piëzo-materialen zijn er ook een voorbeeld van.

Het strain-gestuurde materiaal kan een waardevolle component op chips en is, dankzij de ultradunne beschermlaag die van IBM Research komt, nu ook te bouwen op silicium. Natuurlijk moet het daarvoor nog wel worden ingepast in de chipfabricage, dat vergt extra stappen in een sterk gestandaardiseerd productieproces, maar het principe is op een klein siliciumoppervlak al aangetoond.