Schakelen met één enkel koolstofmolecuul
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft, verbonden aan het instituut DIMES/S, hebben een transistor gemaakt van één molecuul. Het molecuul is een zogeheten enkelwandige nanobuis van koolstof, een cilindervormige variant op de bekende buckybal. De schakeling werkt bij kamertemperatuur. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het nummer van het Engelse wetenschapstijdschrift Nature dat vandaag verschijnt.
In de jaren '80 kwamen enkele onderzoekers tot de overtuiging dat er stabiele zeer grote koolstofmoleculen moeten bestaan. Rond 1990 werd voor het eerst het bestaan aangetoond van een voetbalvormig molecuul dat bestaat uit 60 koolstofatomen. Vanwege zijn structuur werd dit molecuul buckybal gedoopt, naar de koepelvormige bouwwerken van de architect Buckminster Fuller. In 1991 werd ontdekt dat er ook buizen van koolstofatomen bestaan. Deze buizen zijn rond één miljoenste millimeter (een nanometer) in doorsnede en een duizendste tot een tiende millimeter lang. Gezien hun doorsnede kregen deze moleculen de aanduiding nanobuizen. Aanvankelijk leken er alleen meervoudige cilinders te zijn, totdat in 1993 de enkelwandige koolstofcilinder werd ontdekt. Met deze cilinder lijkt een idee binnen handbereik te komen dat voor het eerst in de jaren '70 werd gelanceerd: een elektronische schakelaar die uit één molecuul bestaat. De nanobuis blijkt een mooi modelsysteem om te experimenteren met zo'n moleculaire schakelaar.
Onderzoekers van DIMES/S, het FOM-instituut binnen het Delftse Instituut voor Microelektronica en Submicrontechnologie (DIMES), bestuderen sinds enkele jaren de elektrische transporteigenschappen van deze koolstof nanobuizen. De buizen vertonen enkele opvallende kenmerken. Zo blijkt het geleidingsvermogen van de buizen sterk af te hangen van hun doorsnede en van de preciese atomaire structuur. De atomen zijn in een spiraalvorm gerangschikt. Met een scanning tunneling microscoop kan men in Delft deze spiraalvorm goed zichtbaar maken. Die helling hoeft maar iets te veranderen en de nanobuis verandert van een metaal in een halfgeleider.
Dankzij de bijzondere technische voorzieningen en de grote ervaring met het maken en bestuderen van zeer kleine geleidende structuren bij DIMES/S kunnen de onderzoekers daar daadwerkelijk schakelingen bouwen waarin enkele nanobuismoleculen zijn opgenomen. Hiervoor maken ze op een ondergrond van geoxideerd silicium een patroon van strookjes platina ter breedte van circa 100 nanometer met tussenruimtes van 200 nanometer. Daaroverheen leggen ze een nanobuis. De platina strookjes fungeren als elektroden. De combinatie van buis, ondergrond en twee elektroden vormen een zogeheten veld-effecttransistor. Het schakelidee is het volgende. Men legt een spanning aan tussen de twee platina elektrodes en meet de stroom. Vervolgens gebruikt men een spanning op de derde elektrode (de ondergrond van geoxideerd silicium; in het jargon wordt dit dan de 'gate' elektrode genoemd) om deze stroom groter te maken of helemaal tot nul terug te brengen. Met een spanning op de derde elektrode kan men dus de stroom door de nanobuis schakelen tussen 0 en een eindige waarde. Dat is de transistoractie. Er kan met de buis dus geschakeld worden. Opmerkelijk is dat dit effect te zien is bij kamertemperatuur! Eerder al hadden de Delftse onderzoekers een transistorachtig gedrag geconstateerd bij een metallische enkelwandige koolstofbuis, maar dan bij extreem lage temperatuur. De transistoractie berust daar overigens op een heel ander principe! Opvallend is verder dat het elektrische gedrag van de buis zich goed laat berekenen met dezelfde semiklassieke modellen die gehanteerd worden voor berekeningen aan gebruikelijke halfgeleiderschakelingen in de huidige computerindustrie. Er is dus geen overheersende invloed van quantummechanische effecten, zoals die bij zeer kleine schakelingen in silicium en supergeleidende metalen optreden. De geproduceerde schakeling betekent een belangrijke stap op weg naar moleculaire elektronica, zo schrijven de onderzoekers in Nature.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr. Cees Dekker, TUD en DIMES/S, telefoon (015) 278 60 94.