Logisch schakelen met koolstof nanobuizen
Op weg naar verdere miniaturisering van microelektronische schakelingen wordt volop onderzoek gedaan naar de mogelijkheden die nanobuizen van koolstof bieden. Zo'n buis is in wezen één molecuul en maakt dus een moleculaire schakelaar mogelijk. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM hebben nu een belangrijke stap voorwaarts gezet. Ze hebben als eersten in de wereld transistorcircuits met dergelijke buizen gemaakt waarmee ze vier verschillende soorten logische handelingen kunnen uitvoeren. Logisch schakelen staat hierbij voor digitaal regelen, oftewel geen signaal staat voor 0, wel signaal staat voor 1. Dit type digitale logica vormt de basis voor al onze hedendaagse computers. Met de Delftse resultaten kan zulke digitale elektronica nu dus met afzonderlijke moleculen worden uitgevoerd in plaats van met het gebruikelijke silicium. Een artikel hierover verschijnt 9 november in het Amerikaanse weekblad Science.
Enkelwandige koolstof nanobuizen hebben een reeks eigenschappen die hen voor toepassing in elektronica geschikt maken. De onderzoeksgroep van prof.dr. Cees Dekker in Delft, die in dit onderzoek één van de leidende groepen in de wereld is, heeft de afgelopen jaren allerlei aspecten van dit soort eigenschappen onderzocht. De groep heeft onder andere laten zien dat de elektrische geleiding van die buizen zodanig beïnvloed kan worden, dat ze zich als een transistor gaan gedragen. Daarbij ging het echter steeds om één 'losse' buis. De volgende stap zou zijn nanobuizen op één chip aan te brengen en van hun transistoreigenschappen gebruik te maken om digitale logische bewerkingen te kunnen uitvoeren. Dat is nu gelukt.
De logische circuits in Delft worden in principe als volgt gemaakt. Om te beginnen hebben de onderzoekers op een ondergrond van geoxideerd silicium met behulp van elektronenbundellithografie een patroon van aluminium geleiders aangebracht. Het oxidelaagje dat spontaan aan de lucht ontstaat, zorgt voor isolatie met de omgeving. Vervolgens hebben ze koolstof nanobuizen (gemaakt door onderzoekers van de Rice University in Houston) vanuit een dichloroetaan-suspensie op de geleiders laten zakken. Met een atomaire-krachtmicroscoop hebben ze daarna gekeken waar precies nanobuizen met de gewenste doorsnede (van ongeveer 1 nanometer) op de juiste plekken terecht gekomen waren. Op die plaatsen hebben ze, opnieuw met elektronenbundellithografie, contactelektroden en verbindingsdraden van goud direct op de nanobuizen aangebracht. Het resultaat was de schakeling zoals die in figuur 1 is te zien.
Vervolgens blijkt het door het aanleggen van de juiste externe spanning heel precies mogelijk wel of geen stroom door de nanobuizen te laten lopen. Dat is de basis voor het uitvoeren van logische bewerkingen. Van groot belang is dat met bovengenoemde layout versterking van het signaal kan worden gerealiseerd. De output van één transistor kan daarmee worden gebruikt als input voor de volgende. Dat was voorheen niet mogelijk.
Met hun schakeling laten de Delftse onderzoekers vervolgens zien dat ze diverse soorten logische bewerkingen kunnen uitvoeren. Zo hebben ze met één nanobuis een inverter gemaakt. Die zet een 0 in een 1 om en omgekeerd. Met twee parallelle nanobuizen maken ze een zogeheten NOR-poort. Elke andere variant (AND, OR, NAND, XOR etc.) is dan ook mogelijk. Met twee inverters hebben ze een zogeheten SRAM (static random access memory) gemaakt, een eenvoudige flipflop geheugencel. Drie inverters in een ring maken een zogeheten ring-oscillator (zie figuur 2).
De onderzoekers vinden het verder van groot belang dat ze met hun techniek in detail het verloop van de lading over de nanobuizen kunnen onderzoeken. Dat helpt het gedrag van de buizen beter te begrijpen.
Hoe mooi het resultaat ook is, het is natuurlijk maar een begin. De groep van Dekker is over het vervolg echter optimistisch. Er zijn allerlei technieken in ontwikkeling om bijvoorbeeld veel meer nanobuizen op specifieke plaatsen op een chip aan te brengen dan nu mogelijk is. Verder moet de schakelsnelheid gemakkelijk verhoogd kunnen worden en zien de onderzoekers chemische of elektrostatische technieken aankomen om het energieverlies in de schakeling te verminderen. Het belangrijkste resultaat nu is echter dat is aangetoond dat je logische schakelingen kunt bouwen van afzonderlijke moleculen.
Meer informatie bij
prof.dr. Cees Dekker, dekker@mb.tn.tudelft.nl, tel. (015) 278 60 94
dr. Peter Hadley, hadley@qt.tn.tudelft.nl, tel. (015) 278 60 75
dr. Adrian Bachtold, bachtold@mb.tn.tudelft.nl (nu werkzaam in Paris)
dr. Takeshi Nakanishi, t.nakanishi@tn.tudelft.nl (theoretische modellering).
Zie ook de website van de groep: www.mb.tn.tudelft.nl.