Redden moleculaire transistors wet van Moore?

[Gast]

Nu eens niet een vraag, maar een wetenswaardigheid:

 

 

Volgens de wet van Moore verdubbelt iedere achttien maanden de rekencapaciteit van computers. Deze wet is geldig dankzij de vooruitgang in de chiptechnologie, waardoor elk jaar transistors weer kleiner worden. Dankzij deze schaalverkleining passen nu al honderden miljoenen transistors in één processor. Maar het gevaar dreigt dat de wet van Moore niet lang meer geldt. Volgens professor Jan van Ruitenbeek van het Kamerlingh Onnes Laboratorium komt dit doordat chipfabrikanten blijven voortbouwen op bestaande ontwerpen en structuren.

 

'Het toepassen van steeds kleinere chips is slechts een tijdelijke oplossing. Over vijf of tien jaar is schaalverkleining niet meer mogelijk, ondanks aanscherping en verfijning van de huidige technologie. De transistors zijn dan zo klein dat de klassieke wetten niet meer gelden, structuren van nu zijn dan onbruikbaar,’ zo vertelt Van Ruitenbeek. Moleculaire transistors zouden uitkomst moeten bieden. Dit zijn moleculen met de eigenschappen van transistors. Juist de ontdekking dat waterstof geleidt is belangrijk voor de ontwikkeling van dergelijke moleculen.

 

Een ontdekking van Van Ruitenbeek en zijn vakgroep biedt hoop voor de wet van Moore. Hij ontdekte dat waterstof een prima geleider is.

Al jaren leidt hij een onderzoek naar de geleiding van atomen en moleculen. Hiervoor werkt hij met atoomkettingen, dit zijn metaaldraadjes van slechts enkele atomen lang. Zijn werk met atoomkettingen heeft al enkele publicaties in Nature opgeleverd. Atoomkettingen verkrijgt hij door een metaaldraad op zeer beheerste wijze uit elkaar te trekken, zoals je met een trekdrop zou doen. Tijdens het breken zijn de twee helften van het metaaldraadje uiteindelijk nog met slechts enkele atomen aan elkaar verbonden. Deze atomen vormen de schakels van een atoomketting met een geleiding volgens de quantumwetten. Zo is de weerstand niet meer afhankelijk van de lengte en dikte van de draad zoals bij de klassieke natuurkunde, maar wordt bepaald door de quantumeigenschappen van de afzonderlijke atomen in het draadje. De weerstand van de ketting is gelijk aan éénmaal de quantumweerstand, ongeacht de lengte van de ketting. Een afwijking van de quantummechanica treedt pas op bij ketens van duizenden tot tienduizenden atomen. ‘Maar zover zijn we nog niet. Nu kunnen we ketens van maximaal zeven tot acht atomen maken.’

 

Dat waterstof geleidend is ontdekte Van Ruitenbeek bij toeval. Hij verrichtte metingen aan een keten van platina-atomen toen de geleiding plotseling veranderde. 'We wisten hoe de geleiding van platina eruitzag, de waarde die we kregen kwam daar niet mee overeen. De ketting bleek gebroken, en het gat opgevuld door waterstof dat in lage concentraties aanwezig was. We hebben het experiment vele malen herhaald, en elke keer gebeurde hetzelfde. De geleiding kwam ook steeds overeen met wat je van waterstof zou verwachten. Waterstof vormde een brug tussen de twee platina uiteinden, maar om wat voor soort binding het gaat is nog onduidelijk. Het heeft iets van een metaalbinding, maar ook iets van een moleculaire binding.'

 

'Nu vastgesteld is dat waterstof geleidend is, gaan we verder met andere moleculen. Deze moeten minimaal een binding kunnen aangaan met andere structuren en over elektronen beschikken die zich over het hele molecuul uitstrekken. Dit is een vereiste om een goede geleider te zijn.'

 

Alhoewel Van Ruitenbeek het fantastisch zou vinden om een molecuul te ontwikkelen waarmee je een elektronische schakeling kunt realiseren, wil hij vooral de werking van dergelijke moleculen begrijpen.

 

De ontwikkeling van complexe organische moleculen die kunnen dienen als moleculaire transistor is noodzakelijk om de wet van Moore geldend te houden. Maar naast de ontwikkeling van moleculaire transistors moet de chiptechnologie omgegooid worden. De nano-elektronica zou uitkomst kunnen bieden. ‘Hiervoor moet je niet alleen de principes kennen, maar ook het ontwerp hebben van een systeem dat op nanoschaal werkt, en het kunnen fabriceren. Vergeet niet, dit is een enorm complex systeem met een miljard of meer transistors op één chip,’ vertelt Van Ruitenbeek.

 

Onderzoeker Stanley Williams van Hewlett Packard lijkt een dergelijk systeem gebaseerd op een totaal afwijkende architectuur ontwikkeld te hebben. ‘Hij heeft bewezen dat het werkt, maar knelpunten tot nu toe zijn de betrouwbaarheid, duurzaamheid en productie. Het is nog niet bekend wat de moleculen over langere tijd doen. Je moet op zoek naar een molecuul dat in twee toestanden kan verkeren. Een hoge geleidende toestand, en een lage niet-geleidende toestand. Als je zoiets hebt ben je er eigenlijk al. De architectuur van Williams bestaat uit een rooster met acht verticale en acht horizontale metallische lijntjes. Op de kruispunten van de lijntjes zit een organisch molecuul dat de verbinding vormt tussen de verschillende lijntjes. Dit molecuul kan naar een goed geleidende toestand respectievelijk slecht geleidende toestand schakelen, afhankelijk van de spanning. Als je de schaal verder verkleint heb je het niet meer over metallische lijntjes maar geleidende moleculen waar je een moleculaire transistor aan koppelt. In dat geval moeten tijdens de fabricage de moleculen elkaar zelf kunnen vinden.'

 

'Een systeem met miljarden moleculen zorgt voor veel fouten. De architectuur moet dus fouttolerant zijn.' Van Ruitenbeek is niet overtuigd dat dit gaat lukken, maar de weg daarheen zal veel toepassingen opbrengen.

 

'De eerste toepassingen die we kunnen verwachten zijn sensors zoals ontwikkeld door IBM Zurich. De sensors bestaan uit minuscule duikplankjes van metaal met een speciale coating. De coating is extreem gevoelig voor een specifiek molecuul. Als deze aanwezig is zal deze aan de coating binden waardoor het plankje buigt. Dit kun je meten. Dergelijke sensors zouden ingezet kunnen worden bij gasdetectie of bloedanalyse.'

 

Of de wet van Moore de komende tien of vijftien jaar overleeft zal moeten blijken, hiervoor zijn moleculaire transistors nodig, maar ook nano-architecturen die stabiel en produceerbaar zijn. Er is nog een lange weg te gaan, maar alleen het streven ernaar werpt al zijn vruchten af.

 

 

gr,