Hoe kleiner de transistoren, hoe merkwaardiger hun eigenschappen. Onderzoekers van het Dimes-instituut laten zien dat kleine transistoren zich gedragen als platte atomen.
Philips en andere bedrijven in de halfgeleiderindustrie maken steeds kleinere transistoren. Kleiner betekent sneller en beter. Maar er is een grens aan deze voortgaande miniaturisatie, die over vijftien jaar bereikt wordt. De transistoren zijn dan zo klein dat ze niet meer goed functioneren als wordt vastgehouden aan de bestaande technologie. De natuurkunde van de allerkleinste schaal verbiedt dat gewoon. Onderzoek aan universiteiten richt zich op de transistor van de toekomst, gemaakt van nieuwe materialen of gebaseerd op nieuwe principes.
,,Onze kleine transistoren zijn net platte atomen”, zegt dr. L.P. Kouwenhoven van het Delft Institute for Microfabrication and Submicron Technology (Dimes). ,,Platte atomen, maar dan wel veel groter dan echte atomen”, voegt hij er aan toe. Morgen verschijnt een Dimes-artikel over deze analogie tussen kleine transistoren en echte atomen, in het Amerikaanse vaktijdschrift Science.
Kwantum stippen
Kouwenhoven en zijn medewerkers maken gebruik van veld-effecttransistoren die speciaal voor hun onderzoek in Japan gemaakt worden. Veld-effecttransistoren bestaan uit een halfgeleidend materiaal dat door een isolator gescheiden is van een metalen stripje: de gate. Deze nabijgelegen gate verzorgt door een elektrisch veld de schakelende werking van de transistor. Veld-effecttransistoren zitten bijvoorbeeld in computers en draagbare telefoons.
Maar de Japanse transistoren gedragen zich anders dan de commerciële veld-effecttransistoren, legt Kouwenhoven uit. ,,Zij zijn in staat elektronen in het halfgeleidend materiaal op te sluiten. En ze zijn zo klein dat de gate het transport van precies één enkel elektron controleert. Het zijn quantum dots. Kleine, platte doosjes met een regelbaar aantal elektronen. De elektronen kunnen er niet uit ontsnappen, tenzij wij de spanning op de gate veranderen.”
De opgesloten elektronen volgen de wetten van de kwantummechanica. In de ronde geometrie van de Japanse transistoren betekent dit dat ze alleen maar in bepaalde, cirkelvormige banen kunnen rondlopen. Deze cirkelvormige banen zijn vergelijkbaar met de cirkels op het wateroppervlak die ontstaan als een steentje in een vijver wordt gegooid.
Kunstmatige atomen
2 Deze kaart toont de energieniveaus van de platte atomen. De grote vlakken representeren de edelgassen met twee, zes en twaalf elektronen.
Elektronen in een echt atoom zitten opgesloten in een denkbeeldige bol rond de positieve kern. De kwantummechanica legt ook nu weer de beperking op dat slechts bepaalde banen rond de kern mogelijk zijn. Deze banen vormen bollen rond de kern die schillen worden genoemd. De platte, cirkelvormige banen in quantum dots zijn vergelijkbaar met deze bolvormige schillen en de quantum dots kunnen daarom beschouwd worden als kunstmatige, platte atomen.
In het periodieke systeem hebben de gassen helium en argon een groterestabiliteit dan andere elementen. De schillen van deze edelgassen zijn geheel gevuld. De meeste elementen hebben echter gedeeltelijk gevulde schillen. Zo bevinden zich slechts enkele elektronen in de buitenste schil van metalen als koper en aluminium. Die gedeeltelijk gevulde schillen maken de metalen wat ze zijn, namelijk goede geleiders van elektronen. Elektriciteitsdraden zijn daarom vaak van koper gemaakt.
Platte atomen blijken ook een periodiek systeem te hebben, ontdekte Kouwenhoven. ,,Om een elektron uit een doosje met twee elektronen te halen hebben we een grotere spanning op de gate nodig dan om het uit een doosje met drie elektronen te halen.” Een plat atoom met twee elektronen is dus een stabieler geheel en is vergelijkbaar met het heliumatoom dat ook twee elektronen heeft. In het platte vlak is een doosje met zes elektronen het volgende stabiele edelgas. En twaalf het daaropvolgende. De getallen zijn anders dan in het echte periodieke systeem vanwege het verschil in geometrie.
Schillen
Ook enkele belangrijke begrippen uit de atoomfysica zijn toepasbaar op platte atomen. Op de middelbare school wordt al geleerd dat ionen geladen atomen zijn die elektronen missen of juist teveel hebben. De ionisatie-energie is de energie die het kost om één elektron bij een kern weg te halen. Overgangen van elektronen naar andere schillen zijn ook mogelijk als de juiste energie beschikbaar is. Elk element heeft zo zijn eigen schema van toegestane energieniveaus. Deze energieniveaus spelen een rol bij het uitzenden van licht. Het gele licht van een natriumlamp is karakteristiek voor een bepaalde overgang in het natriumatoom.
De platte atomen hebben soortgelijke ionisatie-energieën en energieschema’s. Om de energieniveaus op te sporen, hebben Kouwenhoven en zijn medewerkers de elektrische geleiding door de platte atomen gemeten. Het bleek dat de energieniveaus bepalen of er een elektrische stroom loopt en zo brachten zij de energiespectra van de platte atomen in kaart.
Witte dwergen
3 Het periodiek systeem voor platte atomen. De namen van de elementen zijn afgeleid van die van de onderzoekers.
Wetenschappelijk biedt de ontdekking van de platte atomen interessante mogelijkheden. Onderzoekers kunnen nu op een gecontroleerde manier overgangen tussen energieniveaus bestuderen in atomen die vijfhonderd maal groter zijn dan het grootste atoom op aarde.
Kouwenhoven: ,,De grootte van de cirkelvormige banen kunnen we met een magneetveld veranderen. Sommige banen worden groter en andere kleiner. De banen kunnen elkaar zelfs kruisen en elektronen zullen dan overspringen van de grotere baan naar de kleine baan. Deze overgangen gebeuren bij magneetvelden van enkele Tesla’s. Theoretici hebben vergelijkbare effecten voorspeld voor echte atomen, maar dan bij gigantisch hoge magneetvelden van één miljoen Tesla. Zulke magneetvelden zijn ondenkbaar op aarde maar schijnen te bestaan in de nabijheid van pulsars en dode sterren, zoals witte dwergen.”
Maar het belang van het onderzoek is volgens Kouwenhoven niet alleen dat de analogie tussen platte en echte atomen nieuwe mogelijkheden biedt voor onderzoek in de atoomfysica. Belangrijker is het dat op de allerkleinste schaal de natuurkundige principes hetzelfde blijken te zijn: ,,Elektrisch transport in kleine systemen gaat per enkel elektron en alleen dan als de energieniveaus het toestaan. Het maakt hierbij niet uit of het door de mens gemaakte structuurtjes zijn of van welke materialen ze zijn gemaakt. Ook de transistor van de toekomst zal daaraan moeten voldoen.”
,,
1 In de Dimes-transistoren kan het transport van één enkel elektron worden gecontroleerd door de spanning op de gate te veranderen.
Philips en andere bedrijven in de halfgeleiderindustrie maken steeds kleinere transistoren. Kleiner betekent sneller en beter. Maar er is een grens aan deze voortgaande miniaturisatie, die over vijftien jaar bereikt wordt. De transistoren zijn dan zo klein dat ze niet meer goed functioneren als wordt vastgehouden aan de bestaande technologie. De natuurkunde van de allerkleinste schaal verbiedt dat gewoon. Onderzoek aan universiteiten richt zich op de transistor van de toekomst, gemaakt van nieuwe materialen of gebaseerd op nieuwe principes.
,,Onze kleine transistoren zijn net platte atomen”, zegt dr. L.P. Kouwenhoven van het Delft Institute for Microfabrication and Submicron Technology (Dimes). ,,Platte atomen, maar dan wel veel groter dan echte atomen”, voegt hij er aan toe. Morgen verschijnt een Dimes-artikel over deze analogie tussen kleine transistoren en echte atomen, in het Amerikaanse vaktijdschrift Science.
Kwantum stippen
Kouwenhoven en zijn medewerkers maken gebruik van veld-effecttransistoren die speciaal voor hun onderzoek in Japan gemaakt worden. Veld-effecttransistoren bestaan uit een halfgeleidend materiaal dat door een isolator gescheiden is van een metalen stripje: de gate. Deze nabijgelegen gate verzorgt door een elektrisch veld de schakelende werking van de transistor. Veld-effecttransistoren zitten bijvoorbeeld in computers en draagbare telefoons.
Maar de Japanse transistoren gedragen zich anders dan de commerciële veld-effecttransistoren, legt Kouwenhoven uit. ,,Zij zijn in staat elektronen in het halfgeleidend materiaal op te sluiten. En ze zijn zo klein dat de gate het transport van precies één enkel elektron controleert. Het zijn quantum dots. Kleine, platte doosjes met een regelbaar aantal elektronen. De elektronen kunnen er niet uit ontsnappen, tenzij wij de spanning op de gate veranderen.”
De opgesloten elektronen volgen de wetten van de kwantummechanica. In de ronde geometrie van de Japanse transistoren betekent dit dat ze alleen maar in bepaalde, cirkelvormige banen kunnen rondlopen. Deze cirkelvormige banen zijn vergelijkbaar met de cirkels op het wateroppervlak die ontstaan als een steentje in een vijver wordt gegooid.
Kunstmatige atomen
2 Deze kaart toont de energieniveaus van de platte atomen. De grote vlakken representeren de edelgassen met twee, zes en twaalf elektronen.
Elektronen in een echt atoom zitten opgesloten in een denkbeeldige bol rond de positieve kern. De kwantummechanica legt ook nu weer de beperking op dat slechts bepaalde banen rond de kern mogelijk zijn. Deze banen vormen bollen rond de kern die schillen worden genoemd. De platte, cirkelvormige banen in quantum dots zijn vergelijkbaar met deze bolvormige schillen en de quantum dots kunnen daarom beschouwd worden als kunstmatige, platte atomen.
In het periodieke systeem hebben de gassen helium en argon een groterestabiliteit dan andere elementen. De schillen van deze edelgassen zijn geheel gevuld. De meeste elementen hebben echter gedeeltelijk gevulde schillen. Zo bevinden zich slechts enkele elektronen in de buitenste schil van metalen als koper en aluminium. Die gedeeltelijk gevulde schillen maken de metalen wat ze zijn, namelijk goede geleiders van elektronen. Elektriciteitsdraden zijn daarom vaak van koper gemaakt.
Platte atomen blijken ook een periodiek systeem te hebben, ontdekte Kouwenhoven. ,,Om een elektron uit een doosje met twee elektronen te halen hebben we een grotere spanning op de gate nodig dan om het uit een doosje met drie elektronen te halen.” Een plat atoom met twee elektronen is dus een stabieler geheel en is vergelijkbaar met het heliumatoom dat ook twee elektronen heeft. In het platte vlak is een doosje met zes elektronen het volgende stabiele edelgas. En twaalf het daaropvolgende. De getallen zijn anders dan in het echte periodieke systeem vanwege het verschil in geometrie.
Schillen
Ook enkele belangrijke begrippen uit de atoomfysica zijn toepasbaar op platte atomen. Op de middelbare school wordt al geleerd dat ionen geladen atomen zijn die elektronen missen of juist teveel hebben. De ionisatie-energie is de energie die het kost om één elektron bij een kern weg te halen. Overgangen van elektronen naar andere schillen zijn ook mogelijk als de juiste energie beschikbaar is. Elk element heeft zo zijn eigen schema van toegestane energieniveaus. Deze energieniveaus spelen een rol bij het uitzenden van licht. Het gele licht van een natriumlamp is karakteristiek voor een bepaalde overgang in het natriumatoom.
De platte atomen hebben soortgelijke ionisatie-energieën en energieschema’s. Om de energieniveaus op te sporen, hebben Kouwenhoven en zijn medewerkers de elektrische geleiding door de platte atomen gemeten. Het bleek dat de energieniveaus bepalen of er een elektrische stroom loopt en zo brachten zij de energiespectra van de platte atomen in kaart.
Witte dwergen
3 Het periodiek systeem voor platte atomen. De namen van de elementen zijn afgeleid van die van de onderzoekers.
Wetenschappelijk biedt de ontdekking van de platte atomen interessante mogelijkheden. Onderzoekers kunnen nu op een gecontroleerde manier overgangen tussen energieniveaus bestuderen in atomen die vijfhonderd maal groter zijn dan het grootste atoom op aarde.
Kouwenhoven: ,,De grootte van de cirkelvormige banen kunnen we met een magneetveld veranderen. Sommige banen worden groter en andere kleiner. De banen kunnen elkaar zelfs kruisen en elektronen zullen dan overspringen van de grotere baan naar de kleine baan. Deze overgangen gebeuren bij magneetvelden van enkele Tesla’s. Theoretici hebben vergelijkbare effecten voorspeld voor echte atomen, maar dan bij gigantisch hoge magneetvelden van één miljoen Tesla. Zulke magneetvelden zijn ondenkbaar op aarde maar schijnen te bestaan in de nabijheid van pulsars en dode sterren, zoals witte dwergen.”
Maar het belang van het onderzoek is volgens Kouwenhoven niet alleen dat de analogie tussen platte en echte atomen nieuwe mogelijkheden biedt voor onderzoek in de atoomfysica. Belangrijker is het dat op de allerkleinste schaal de natuurkundige principes hetzelfde blijken te zijn: ,,Elektrisch transport in kleine systemen gaat per enkel elektron en alleen dan als de energieniveaus het toestaan. Het maakt hierbij niet uit of het door de mens gemaakte structuurtjes zijn of van welke materialen ze zijn gemaakt. Ook de transistor van de toekomst zal daaraan moeten voldoen.”
1 In de Dimes-transistoren kan het transport van één enkel elektron worden gecontroleerd door de spanning op de gate te veranderen.
Philips en andere bedrijven in de halfgeleiderindustrie maken steeds kleinere transistoren. Kleiner betekent sneller en beter. Maar er is een grens aan deze voortgaande miniaturisatie, die over vijftien jaar bereikt wordt. De transistoren zijn dan zo klein dat ze niet meer goed functioneren als wordt vastgehouden aan de bestaande technologie. De natuurkunde van de allerkleinste schaal verbiedt dat gewoon. Onderzoek aan universiteiten richt zich op de transistor van de toekomst, gemaakt van nieuwe materialen of gebaseerd op nieuwe principes.
,,Onze kleine transistoren zijn net platte atomen”, zegt dr. L.P. Kouwenhoven van het Delft Institute for Microfabrication and Submicron Technology (Dimes). ,,Platte atomen, maar dan wel veel groter dan echte atomen”, voegt hij er aan toe. Morgen verschijnt een Dimes-artikel over deze analogie tussen kleine transistoren en echte atomen, in het Amerikaanse vaktijdschrift Science.
Kwantum stippen
Kouwenhoven en zijn medewerkers maken gebruik van veld-effecttransistoren die speciaal voor hun onderzoek in Japan gemaakt worden. Veld-effecttransistoren bestaan uit een halfgeleidend materiaal dat door een isolator gescheiden is van een metalen stripje: de gate. Deze nabijgelegen gate verzorgt door een elektrisch veld de schakelende werking van de transistor. Veld-effecttransistoren zitten bijvoorbeeld in computers en draagbare telefoons.
Maar de Japanse transistoren gedragen zich anders dan de commerciële veld-effecttransistoren, legt Kouwenhoven uit. ,,Zij zijn in staat elektronen in het halfgeleidend materiaal op te sluiten. En ze zijn zo klein dat de gate het transport van precies één enkel elektron controleert. Het zijn quantum dots. Kleine, platte doosjes met een regelbaar aantal elektronen. De elektronen kunnen er niet uit ontsnappen, tenzij wij de spanning op de gate veranderen.”
De opgesloten elektronen volgen de wetten van de kwantummechanica. In de ronde geometrie van de Japanse transistoren betekent dit dat ze alleen maar in bepaalde, cirkelvormige banen kunnen rondlopen. Deze cirkelvormige banen zijn vergelijkbaar met de cirkels op het wateroppervlak die ontstaan als een steentje in een vijver wordt gegooid.
Kunstmatige atomen
2 Deze kaart toont de energieniveaus van de platte atomen. De grote vlakken representeren de edelgassen met twee, zes en twaalf elektronen.
Elektronen in een echt atoom zitten opgesloten in een denkbeeldige bol rond de positieve kern. De kwantummechanica legt ook nu weer de beperking op dat slechts bepaalde banen rond de kern mogelijk zijn. Deze banen vormen bollen rond de kern die schillen worden genoemd. De platte, cirkelvormige banen in quantum dots zijn vergelijkbaar met deze bolvormige schillen en de quantum dots kunnen daarom beschouwd worden als kunstmatige, platte atomen.
In het periodieke systeem hebben de gassen helium en argon een groterestabiliteit dan andere elementen. De schillen van deze edelgassen zijn geheel gevuld. De meeste elementen hebben echter gedeeltelijk gevulde schillen. Zo bevinden zich slechts enkele elektronen in de buitenste schil van metalen als koper en aluminium. Die gedeeltelijk gevulde schillen maken de metalen wat ze zijn, namelijk goede geleiders van elektronen. Elektriciteitsdraden zijn daarom vaak van koper gemaakt.
Platte atomen blijken ook een periodiek systeem te hebben, ontdekte Kouwenhoven. ,,Om een elektron uit een doosje met twee elektronen te halen hebben we een grotere spanning op de gate nodig dan om het uit een doosje met drie elektronen te halen.” Een plat atoom met twee elektronen is dus een stabieler geheel en is vergelijkbaar met het heliumatoom dat ook twee elektronen heeft. In het platte vlak is een doosje met zes elektronen het volgende stabiele edelgas. En twaalf het daaropvolgende. De getallen zijn anders dan in het echte periodieke systeem vanwege het verschil in geometrie.
Schillen
Ook enkele belangrijke begrippen uit de atoomfysica zijn toepasbaar op platte atomen. Op de middelbare school wordt al geleerd dat ionen geladen atomen zijn die elektronen missen of juist teveel hebben. De ionisatie-energie is de energie die het kost om één elektron bij een kern weg te halen. Overgangen van elektronen naar andere schillen zijn ook mogelijk als de juiste energie beschikbaar is. Elk element heeft zo zijn eigen schema van toegestane energieniveaus. Deze energieniveaus spelen een rol bij het uitzenden van licht. Het gele licht van een natriumlamp is karakteristiek voor een bepaalde overgang in het natriumatoom.
De platte atomen hebben soortgelijke ionisatie-energieën en energieschema’s. Om de energieniveaus op te sporen, hebben Kouwenhoven en zijn medewerkers de elektrische geleiding door de platte atomen gemeten. Het bleek dat de energieniveaus bepalen of er een elektrische stroom loopt en zo brachten zij de energiespectra van de platte atomen in kaart.
Witte dwergen
3 Het periodiek systeem voor platte atomen. De namen van de elementen zijn afgeleid van die van de onderzoekers.
Wetenschappelijk biedt de ontdekking van de platte atomen interessante mogelijkheden. Onderzoekers kunnen nu op een gecontroleerde manier overgangen tussen energieniveaus bestuderen in atomen die vijfhonderd maal groter zijn dan het grootste atoom op aarde.
Kouwenhoven: ,,De grootte van de cirkelvormige banen kunnen we met een magneetveld veranderen. Sommige banen worden groter en andere kleiner. De banen kunnen elkaar zelfs kruisen en elektronen zullen dan overspringen van de grotere baan naar de kleine baan. Deze overgangen gebeuren bij magneetvelden van enkele Tesla’s. Theoretici hebben vergelijkbare effecten voorspeld voor echte atomen, maar dan bij gigantisch hoge magneetvelden van één miljoen Tesla. Zulke magneetvelden zijn ondenkbaar op aarde maar schijnen te bestaan in de nabijheid van pulsars en dode sterren, zoals witte dwergen.”
Maar het belang van het onderzoek is volgens Kouwenhoven niet alleen dat de analogie tussen platte en echte atomen nieuwe mogelijkheden biedt voor onderzoek in de atoomfysica. Belangrijker is het dat op de allerkleinste schaal de natuurkundige principes hetzelfde blijken te zijn: ,,Elektrisch transport in kleine systemen gaat per enkel elektron en alleen dan als de energieniveaus het toestaan. Het maakt hierbij niet uit of het door de mens gemaakte structuurtjes zijn of van welke materialen ze zijn gemaakt. Ook de transistor van de toekomst zal daaraan moeten voldoen.”
Do you have a question or comment about this article?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.