VanderWiel2

Wilfred van der Wiel doet onderzoek naar nano-elektronica. Na een aantal jaar in Japan leidt hij nu het de groep nano-electronics bij het MESA+ Institute for Nanotechnology van de Universiteit Twente.

Voor wie denkt dat nanotechnologie eng, ingewikkeld en ongrijpbaar is, heb ik het volgende experiment (try this at home!). Neem plaats in een gemakkelijke stoel, adem regelmatig, zorg voor voldoende verlichting en een prettige luchtvochtigheidsgraad. Focusseer op de nagel van ofwel je linker dan wel je rechter duim. Houd dit met goed geaccommodeerde ogen zo’n seconde vol. Hierna is het tijd voor ontspanning en reflectie. Wat zich zojuist (voor je eigen ogen) heeft voltrokken is een inzichtelijk nano-experiment. Een beetje googelen leert namelijk dat een nagel ongeveer 3 mm per maand groeit, oftewel een tiende mm per dag. De snelle rekenaars onder ons zullen alras inzien dat gedurende die ene seconde van ons experiment de nagel dus 1 miljoenste mm (een miljardste meter) is gegroeid. Een miljardste meter wordt ook wel een nanometer genoemd. Het voorvoegsel nano komt van het Griekse ‘nanos’ dat dwerg betekent. Ter vergelijking: de doorsnede van een atoom is ongeveer een tiende nanometer en eenvoudige moleculen zijn vaak niet groter dan 1 nanometer.

Onder nanotechnologie wordt het gebied van wetenschap en engineering verstaan dat zich bezighoudt met het begrijpen en manipuleren van materie met een typische afmeting van ~1 tot 100 nanometer. Uiteraard zijn deze grenzen niet scherp. Nanotechnologie is een zeer snel groeiend veld en vindt haar weerslag niet alleen in de natuurkunde en de elektrotechniek, maar ook in de chemie, materiaalkunde, biologie en medische wetenschappen. Nanotechnologie helpt de grenzen tussen deze disciplines te vervagen en creëert op haar beurt weer eigen sub-disciplines zoals nano-optica, nanofluïdica, nanofabricage en…nano-elektronica.

Volgens de bovenstaande definitie vallen moderne transistoren (met typische afmetingen van 22 nm) ruimschoots binnen het werkgebied van de nanotechnologie, of beter binnen het domein van de nano-elektronica. En van die minuscule transistortjes zitten er typisch zo’n miljard op een chip. En natuurlijk moeten die het stuk voor stuk allemaal doen, dag in dag uit, jaren achter elkaar. Wie staat daarbij stil als we onze laptop openklappen of smartphone in onze broekzak laten glijden? Toch is het nog maar een dikke 40 jaar geleden dat de eerste IC (integrated ciruit) werd ontwikkeld door Intel, destijds met 2300 transistoren. Door die enorme miniaturisering zijn chips niet alleen betaalbaar gebleven, maar ook ongelooflijk veel krachtiger geworden.

Hoewel de elektronische apparatuur die je bij de plaatselijke MediaMarkt (BCC of Harense Smid) kunt kopen vol zit met nanoschaal componenten, wordt onder nano-elektronica toch vaak iets anders verstaan. Nano-elektronica wordt veeleer beschouwd als “disruptive technology”, dat wil zeggen een breuk met de bestaande technologie, gepaard gaande met de opkomst van radicaal nieuwe concepten. In plaats van bestaande technologie iedere keer een beetje te verbeteren, proberen we dus te zoeken naar een alternatieve aanpak die nieuwe mogelijkheden biedt. En met dat soort revolutionaire activiteiten houden we ons bezig in ons lab in Twente.

De ontwikkeling in de elektronica hierboven beschreven, heeft zich hoofdzakelijk voltrokken in het materiaal silicium. Een voorbeeld van een nieuwe onderzoeksrichting is het toepassen van organische moleculen voor het realiseren van elektronische schakelingen. Organische moleculen zijn ruwweg alle moleculen die het element koolstof bevatten. Organische materialen zoals plastics (van het Griekse plastikos dat kneedbaar betekent) werden voor lange tijd alleen geassocieerd met elektrische isolatoren. We verpakken onze elektrische leidingen immers niet voor niets in plastic behuizingen. In de tweede helft van de vorige eeuw echter, onstond het idee van organische elektronica. Aan de ene kant bestond er de wens om de makkelijk verwerkbare organische materialen toe te passen als (half)geleiders in bulk of dunne filmvorm. Aan de andere kant werd het concept gelanceerd om enkele moleculen te gebruiken als elektronische componenten, zoals diodes en transistoren. Dit laatste idee wordt ook wel aangeduid met moleculaire elektronica. Voordelen van organische materialen zijn dat ze flexibel zijn en bij lage temperatuur bewerkt kunnen worden. Deze eigenschappen kunnen uitgebuit worden voor het produceren van relatief goedkope elektronica over grote oppervlakken (denk en aan beeldschermen en zonnepanelen). Enkele moleculen zouden misschien wel eens deel uit kunnen gaan maken van de ultiem geminiaturiseerde elektronica, ook al bestaan daar nog behoorlijk grote problemen.

In onze vakgroep NanoElectronics houden we ons concreet bezig met een centrale vraag binnen de nanotechnologie in zijn algemeen: ontsluiten we het nanoregime “top-down” of “bottom-up”?  De “top-down” strategie is veruit het meest gebruikt binnen de elektronica. Men start op grote schaal, bijvoorbeeld met een 300 mm silicium plak (Eng: wafer), en door een serie van fabricagestappen definieer je functionele structuren op de nanoschaal. In de “bottom-up” strategie bouw je je nanostructuur steen voor steen van onderen op. De bouwstenen bestaan hierbij uit atomen en moleculen. De “bottom-up” aanpak is dus meer de route van de chemicus, terwij de “top-down” aanpak meer past bij de natuurkundig of elektrotechnisch ingenieur. Voor het gebruik van organische materialen en met name de zelfassemblage daarvan kunnen we nog heel veel leren van de natuur. Zijn we immers niet allemaal het resultaat van een indrukwekkend staaltje zelfassemblage?!

In ons onderzoek proberen we de top-down en bottom-up technieken handig te combineren om zo te komen tot nieuwe toepassingen voor elektronica en geheugenopslag. Zo maken we gebruik van organische lagen van slechts 1 molecuul dik om de elektronische eigenschappen van silicium te veranderen. In andere experimenten hebben we laten zien dat we met vergelijkbare moleculaire lagen zeer gecontroleerd magnetische elementen kunnen introduceren in een niet-magnetisch metaal.   Het is ons streven om op de lange termijn langs deze weg controle te krijgen over individuele nanostructuren op het niveau van enkele elektronen en enkele fotonen (lichtdeeltjes). In mijn ogen de ultieme nano-elektronica.

Bekijk het filmpje over het onderzoek van Wilfred van der Wiel op VK Academie