Customize Consent Preferences

We use cookies to help you navigate efficiently and perform certain functions. You will find detailed information about all cookies under each consent category below.

The cookies that are categorized as "Necessary" are stored on your browser as they are essential for enabling the basic functionalities of the site. ... 

Always Active

Necessary cookies are required to enable the basic features of this site, such as providing secure log-in or adjusting your consent preferences. These cookies do not store any personally identifiable data.

No cookies to display.

Functional cookies help perform certain functionalities like sharing the content of the website on social media platforms, collecting feedback, and other third-party features.

No cookies to display.

Analytical cookies are used to understand how visitors interact with the website. These cookies help provide information on metrics such as the number of visitors, bounce rate, traffic source, etc.

No cookies to display.

Performance cookies are used to understand and analyze the key performance indexes of the website which helps in delivering a better user experience for the visitors.

No cookies to display.

Advertisement cookies are used to provide visitors with customized advertisements based on the pages you visited previously and to analyze the effectiveness of the ad campaigns.

No cookies to display.

Education

Elektronen op de springplank

Onderzoekers van Kavli Institute of Nanoscience (Technische Natuurwetenschappen) hebben voor het eerst elektrontransport door een enkel atoom in een transistor gemeten. Het is een belangrijke stap voor de verdere miniaturisering van schakelaars.

Dr. Hermann Sellier en een drietal van zijn collega’s van de sectie photonic devices berichtten over hun vinding in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters van 17 november. Het deeltje waar de vier wetenschappers aan sleutelden en maten is een arseenatoom. “Arseen speelt een belangrijke rol in silicium transistoren”, zegt ir. Gabri Lansbergen, de tweede auteur van het artikel. “De hoeveelheid van deze stof in het silicium bepaalt de geleidende eigenschappen van deze schakelaartjes in bijvoorbeeld pc’s. Dergelijke atomen worden ook wel doteringsatomen genoemd.”

De Delftenaren gebruikten de geleidende eigenschappen van het arseen voor een heel ander doel. Het atoom vormde in hun schakelaar de aan- en uitknop. Het zat tussen twee elektrodes in en was aangesloten op een spanningsbron. Bij bepaalde voltages werden de energieniveaus in de elektronschillen van het atoom zodanig veranderd, dat elektronen afkomstig uit de elektrodes er doorheen konden stromen. Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers een transistor gemaakt door IMEC, het Leuvense onderzoekscentrum voor micro-elektronica.

“Het atoom werkte als een springplank voor elektronen”, zegt mede-auteur dr. Sven Rogge. “Door te spelen met de voltages en de stroom door de transistor te meten, konden we aantonen dat een enkel atoom elektrische velden waarneemt en konden we onderzoeken hoe hij er op reageert.”

Het werk is volgens Rogge vooral een doorbraak voor fundamenteel onderzoek naar quantummechanische eigenschappen van atomen in de vaste stof. Maar hij ziet ook toepassingen: de quantumcomputer bijvoorbeeld. “De manipulatie van de eigenschappen van een atoom in de vaste stof is het kernpunt van silicium quantumelektronica, zoals de Kane-quantumcomputer.” Deze nog puur theoretische rekenaar van de toekomst moet uit nog veel kleinere schakelaartjes bestaan die werken volgens de wetten van de quantummechanica.

“De huidige silicium schakelaars, die in feite al veertig jaar nauwelijks veranderd zijn, worden steeds moeilijker verder te verkleinen”, zegt Rogge. “Doteringsatomen staan deze miniaturisering in de weg. Naarmate de schakelaartjes kleiner worden, krijgt de positie van elk individueel doteringsatoom namelijk een steeds grotere invloed op het functioneren van de totale transistor. Twee op geheel identieke wijze gefabriceerde chips zullen daardoor niet meer bij exact dezelfde voltages geactiveerd worden.”

Met silicium en kleine beetjes doteringsatomen kan in theorie ook quantumelektronica gemaakt worden. Dergelijke miniaturiseringproblemen spelen dan niet meer. Inzicht in atoomfysica van arseen komt voor deze ontwikkeling goed van pas.

“Voor stap twee in ons onderzoek gaan we de manipulatie van de quantumeigenschappen van tellurium en fosfor, twee andere doteringsatomen, onderzoeken”, zegt Rogge. “En we gaan nauwer samenwerken met Australische theoretische fysici. De theoretische en experimentele wereld komen nu elkaar op de halfgeleider nanoschaal.”

Dr. Hermann Sellier en een drietal van zijn collega’s van de sectie photonic devices berichtten over hun vinding in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters van 17 november. Het deeltje waar de vier wetenschappers aan sleutelden en maten is een arseenatoom. “Arseen speelt een belangrijke rol in silicium transistoren”, zegt ir. Gabri Lansbergen, de tweede auteur van het artikel. “De hoeveelheid van deze stof in het silicium bepaalt de geleidende eigenschappen van deze schakelaartjes in bijvoorbeeld pc’s. Dergelijke atomen worden ook wel doteringsatomen genoemd.”

De Delftenaren gebruikten de geleidende eigenschappen van het arseen voor een heel ander doel. Het atoom vormde in hun schakelaar de aan- en uitknop. Het zat tussen twee elektrodes in en was aangesloten op een spanningsbron. Bij bepaalde voltages werden de energieniveaus in de elektronschillen van het atoom zodanig veranderd, dat elektronen afkomstig uit de elektrodes er doorheen konden stromen. Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers een transistor gemaakt door IMEC, het Leuvense onderzoekscentrum voor micro-elektronica.

“Het atoom werkte als een springplank voor elektronen”, zegt mede-auteur dr. Sven Rogge. “Door te spelen met de voltages en de stroom door de transistor te meten, konden we aantonen dat een enkel atoom elektrische velden waarneemt en konden we onderzoeken hoe hij er op reageert.”

Het werk is volgens Rogge vooral een doorbraak voor fundamenteel onderzoek naar quantummechanische eigenschappen van atomen in de vaste stof. Maar hij ziet ook toepassingen: de quantumcomputer bijvoorbeeld. “De manipulatie van de eigenschappen van een atoom in de vaste stof is het kernpunt van silicium quantumelektronica, zoals de Kane-quantumcomputer.” Deze nog puur theoretische rekenaar van de toekomst moet uit nog veel kleinere schakelaartjes bestaan die werken volgens de wetten van de quantummechanica.

“De huidige silicium schakelaars, die in feite al veertig jaar nauwelijks veranderd zijn, worden steeds moeilijker verder te verkleinen”, zegt Rogge. “Doteringsatomen staan deze miniaturisering in de weg. Naarmate de schakelaartjes kleiner worden, krijgt de positie van elk individueel doteringsatoom namelijk een steeds grotere invloed op het functioneren van de totale transistor. Twee op geheel identieke wijze gefabriceerde chips zullen daardoor niet meer bij exact dezelfde voltages geactiveerd worden.”

Met silicium en kleine beetjes doteringsatomen kan in theorie ook quantumelektronica gemaakt worden. Dergelijke miniaturiseringproblemen spelen dan niet meer. Inzicht in atoomfysica van arseen komt voor deze ontwikkeling goed van pas.

“Voor stap twee in ons onderzoek gaan we de manipulatie van de quantumeigenschappen van tellurium en fosfor, twee andere doteringsatomen, onderzoeken”, zegt Rogge. “En we gaan nauwer samenwerken met Australische theoretische fysici. De theoretische en experimentele wereld komen nu elkaar op de halfgeleider nanoschaal.”

Editor Redactie

Do you have a question or comment about this article?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.