11 mei 2020
Koolstof in de elektronica-industrie
Halfgeleiders zijn zonder twijfel een van de belangrijkste ontwikkelingen in de geschiedenis van de mensheid. Zonder hen was de hele automatisering niet mogelijk geweest. Ook zou de wereld zoals we die vandaag tegenkomen een andere zijn.
Carbon nano-tube
Nu de fysische eigenschappen van silicium, het meest gebruikte halfgeleidermateriaal, tot het uiterste worden benut, begint de jacht op een nieuw materiaal. En hier komt koolstof ten tonele. Silicium-halfgeleiders worden uit puur kwartszand vervaardigd. Dit zand wordt gesmolten; de resulterende siliciumstaaf wordt gesneden, geslepen en geëtst tot extreem vlakke ronde wafers. De standaard diameter van zo’n wafer is 300 mm, bij een dikte van 775 micrometer. Deze wafers zijn het substraat voor elektronische componenten. De verkleining van geïntegreerde schakelingen en elektronische onderdelen van silicium heeft zijn uiterste grens bereikt. Wanneer het niet meer mogelijk is om IC’s verder te verkleinen, moet een alternatief voor silicium worden gevonden. Koolstof is een basiselement op aarde. De eigenschap die koolstof zo fascinerend maakt voor de elektronica-industrie, is zijn uitzonderlijke elektronenstructuur. Dankzij vier elektronen die voor bindingen beschikbaar zijn, kan koolstof complexe structuren vormen. In de koolstofcomponent grafeen zijn alle koolstofatomen onder een hoek van 120° aan elkaar gekoppeld, wat een zeshoekige honingraatstructuur oplevert, vergelijkbaar met grafiet. Grafiet bestaat echter uit vele lagen, waardoor het een 3D-structuur krijgt. Grafeen daarentegen heeft een tweedimensionale structuur. Deze ‘platte’ structuur grafeen is een sleutelfactor voor het gebruik van koolstof in de elektronica. Wanneer grafeen wordt ‘opgerold’ tot een cilinder, ontstaat een zogenaamde carbon nano-tube (CNT, koolstof-nanobuis). Zo’n nanobuis is een cilindrische geometrische structuur met een diameter van minder dan 100 nanometer. Koolstof nanobuisjes kunnen metallische of halfgeleider-eigenschappen hebben, wat ze uitzonderlijk veelzijdig maakt. Bovendien hebben CNT’s een verbazingwekkende elektrische geleidbaarheid. Analog Devices en het Massachusetts Institute of Technology hebben nu met behulp van CNT’s een 16-bits microcontroller gebouwd, gebaseerd op de RISC-V-structuur. De controller met de naam RV16X-Nano is gemaakt van 14.000 reciproke FET’s en kan de totale RISC-V-instructieset uitvoeren. Opmerkelijk bij deze microcontroller is dat de FET’s zodanig zijn gerangschikt dat de gebruikte CNT’s een zuiverheid van ‘slechts’ 99,99% hoeven te hebben, die met de huidige procedures voor massaproductie haalbaar is.
