Steeds kleiner en steeds compacter - dit is de richting waarin computerchips zich ontwikkelen, gedreven door de industrie. Dit is de reden waarom zogenaamde 2D-materialen worden beschouwd als de grote hoop:ze zijn zo dun als een materiaal maar kan zijn, in extreme gevallen bestaan ​​ze uit slechts één enkele laag atomen. Dit maakt het mogelijk om nieuwe elektronische componenten te produceren met kleine afmetingen, hoge snelheid en optimale efficiëntie.

Echter, er is één probleem:elektronische componenten bestaan ​​altijd uit meer dan één materiaal. 2D-materialen kunnen alleen effectief worden gebruikt als ze kunnen worden gecombineerd met geschikte materiaalsystemen, zoals speciale isolerende kristallen. Als hier geen rekening mee wordt gehouden, het voordeel dat 2D-materialen zouden moeten bieden, wordt teniet gedaan. Een team van de faculteit Elektrotechniek van de TU Wien (Wenen) presenteert deze bevindingen nu in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het einde van de lijn op de atoomschaal bereiken

"De halfgeleiderindustrie is tegenwoordig grotendeels gebaseerd op silicium en siliciumoxide, " zegt prof. Tibor Grasser van het Instituut voor Micro-elektronica aan de TU Wien. "Dit zijn materialen met zeer goede elektronische eigenschappen. Voor een lange tijd, steeds dunnere lagen van deze materialen werden gebruikt om elektronische componenten te miniaturiseren. Dit heeft lange tijd goed gewerkt, maar op een gegeven moment bereiken we een natuurlijke limiet."

Wanneer de siliciumlaag slechts enkele nanometers dik is, zodat het slechts uit een paar atomaire lagen bestaat, dan verslechteren de elektronische eigenschappen van het materiaal sterk. "Het oppervlak van een materiaal gedraagt ​​zich anders dan het grootste deel van het materiaal - en als het hele object praktisch alleen uit oppervlakken bestaat en helemaal geen massa meer heeft, het kan totaal andere materiaaleigenschappen hebben."

Daarom, men moet overschakelen naar andere materialen om ultradunne elektronische componenten te maken. En hier komen de zogenaamde 2D-materialen om de hoek kijken:ze combineren uitstekende elektronische eigenschappen met een minimale dikte.

Dunne lagen hebben dunne isolatoren nodig

"Zoals het blijkt, echter, deze 2D-materialen zijn slechts de eerste helft van het verhaal, ", zegt Tibor Grasser. "De materialen moeten op de juiste ondergrond worden geplaatst, en er is ook nog een isolatorlaag bovenop nodig - en deze isolator moet ook extreem dun en van extreem goede kwaliteit zijn, anders heb je niets gewonnen met de 2D-materialen. Het is alsof je met een Ferrari op modderige grond rijdt en je afvraagt ​​waarom je geen snelheidsrecord hebt gevestigd."

Een team van de TU Wien rond Tibor Grasser en Yury Illarionov heeft daarom geanalyseerd hoe dit probleem kan worden opgelost. "Siliciumdioxide, die normaal in de industrie als isolator wordt gebruikt, is in dit geval niet geschikt, ", zegt Tibor Grasser. "Het heeft een zeer ongeordend oppervlak en veel vrije, onverzadigde bindingen die interfereren met de elektronische eigenschappen in het 2D-materiaal."

Het is beter om te zoeken naar een goed geordende structuur:het team heeft al uitstekende resultaten behaald met fluoriden - een speciale klasse kristallen. Een prototype van een transistor met een calciumfluoride-isolator heeft al overtuigende gegevens opgeleverd, en andere materialen worden nog geanalyseerd.

“Momenteel worden er nieuwe 2D-materialen ontdekt. ​​Dat is mooi, maar met onze resultaten willen we laten zien dat dit alleen niet genoeg is, ", zegt Tibor Grasser. "Deze nieuwe halfgeleidende 2D-materialen moeten ook worden gecombineerd met nieuwe soorten isolatoren. Alleen dan kunnen we er echt in slagen om een ​​nieuwe generatie efficiënte en krachtige elektronische componenten in miniatuurformaat te produceren."