17 feb. 1999
3 minuten
Grafeen is een één atoom dikke laag koolstofatomen, gerangschikt in een honingraat-stuctuur. Het zou een beter halfgeleidermateriaal kunnen zijn dan silicium als we er linten van 20 tot 50 atomen breed van konden maken. Kan DNA daarbij helpen?
DNA is de blauwdruk voor leven. Zou het ook de template kunnen worden voor het maken van een nieuwe generatie computerchips, die niet zijn gebaseerd op silicium, maar op het experimentele grafeen? Dat is de theorie achter een proces dat chemisch engineer professor Zhenan Bao van de Stanford universiteit onthult in het tijdschrift Nature Communications.
Bao en haar medewerkers, postdoctoraal onderzoekers Anatoli Sokolov en Fung Ling Yap, hopen hiermee een probleem op te lossen dat als een donkere wolk boven de toekomst van de elektronica hangt: consumenten verwachten dat chip voortdurend kleiner, sneller en goedkoper zullen worden. Maar technici vrezen dat we daarbij tegen grenzen aan gaan lopen. Dat komt door de manier waarop siliciumchips werken.
Kleiner, sneller en minder vermogen
De fundamentele actieve component op een chip is de transistor. Om krachtiger chips te bouwen, moeten ontwikkelaars twee dingen tegelijkertijd doen: zij moeten de transistoren kleiner maken en ze steeds sneller laten schakelen. Daarvoor moeten zij steeds meer elektriciteit concentreren in een steeds kleinere ruimte en tot nu toe leidde dat tot kleinere, snellere en goedkopere chips. Maar op een bepaald punt kunnen hitte en andere vormen van interferentie de interne werking van de chip verstoren.
"We hebben een materiaal nodig waarmee we kleinere transistoren kunnen maken die sneller werken en m9inder vermogen consumeren", zegt Bao. Grafeen beschikt over de fysische en elektrische eigenschappen die daarvoor nodig zijn – als wetenschappers tenminste kunnen zorgen dat het in massa kan worden geproduceerd.
Linten grafeen
Bao en andere onderzoekers denken dat ze elektronische circuits kunnen maken door linten grafeen naast elkaar te leggen. Dank zij de geringe afmetingen van het materiaal en de geschikte elektrische eigenschappen, kunnen volgens Bao met grafeen nanolinten zeer snelle chips worden gemaakt die maar uiterst weinig energie nodig hebben. "Maar je kunt je voostellen dat het nogal een uitdaging is om iets te maken van één atoom dik en 20 tot 50 atomen breed", zegt mede-onderzoeker Sokolov. Om deze uitdaging aan te gaan, kwam het team op het idee om DNA te gebruiken als assemblagemechanisme. DNA-strengen zijn lang en dun en hebben ongeveer dezelfde afmetingen als de grafeen linten die de onderzoekers wilden maken. En DNA-moleculen bevatten koolstofatomen – het materiaal waaruit grafeen wordt gevormd. De truc is nu, hoe Bao en haar team die fysische en chemische eigenschappen hebben gebruikt.
Productiemethode
De onderzoekers begonnen met een klein plaatje silicium, als substraat voor hun experimentele transistor. Ze doopten dat plaatje in een oplossing van DNA, verkregen uit bacteriën en gebruikten een al bestaande techniek om de DNA-strengen in relatief rechte lijnen te kammen. Vervolgens werd het DNA op het plaatje ondergedompeld in een koperzoutoplossing. Door de chemische samenstelling van deze oplossing absorberen de koperionen in het DNA. Dan werd het plaatje verwarmd en blootgesteld aan methaangas dat koolstofatomen bevat. De warmte bracht een chemische reactie op gang waarbij een aantal van de koolstofatomen in het koolstof en het methaan vrijkwamen. Deze vrije atomen hechtten zich snel aan elkaar en vormden stabiele grafeen honingraten.
"De losse koolstofatomen bleven dicht bij de plek waar ze loskwamen uit de DNA-strengen en ze vormden linten die de structuur van het DNA volgen", zegt Yap. Deus een deel van de uitvinding bestond uit het gebruik van DNA voor het maken van grafeenlinten. Maar de onderzoekers wilden ook aantonen dat deze linten elektronische taken kunnen uitvoeren. Dus maakten ze transistoren op de linten.
Zonder meer uniek
Hun onderzoek trok de aandacht van professor Ali Javey, een expert in het gebruik van geavanceerde materialen en toekomstgerichte elektronica op de universiteit van Berkeley. "Deze techniek is zonder meer uniek en profiteert van DBA als een effectieve template voor de beheerste groei van elektronicamaterialen", zegt hij. "In dit opzicht voorziet het project in een belangrijke wetenschappelijke behoefte."
Volgens Bao moet het assemblageproces nog veel verder worden verfijnd. Zo vormden bijvoorbeeld niet alle koolstofatomen honingraatlinten van een enkel atoom dik. Op sommige plekken ontstonden onregelmatige gebundelde patronen – en dat is geen grafeen.
"Onze DNA-productiemethode is schaalbaar, biedt hoge resolutie en is goedkoop", zegt Yap. "Daardoor is het bijzonder attractief voor industrieel gebruik."
Anderen lazen ook
