Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Wetenschappers ontdekten een materiaal met betere elektronische eigenschappen dan silicium. De productie moet alleen wel nog beter.
Silicium is het meest voorkomende element op aarde – én de basis van al onze elektronica, van computers, radio’s en televisies tot zonnepanelen. Maar mogelijk krijgt de halfgeleider (een stof waarvan de elektrische geleidbaarheid toeneemt bij temperatuurverhoging) er een serieuze concurrent bij. Want onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology en University of Houston hebben een stofje ontdekt dat beter presteert dan silicium: kubisch boorarsenide. De groep onder leiding van Gang Chen schrijft erover in het vaktijdschrift Science.
Lees ook:
‘Gaten’ en hitte
Halfgeleiders zijn stoffen die qua geleiding van elektronen tussen een isolator en een supergeleider in zitten. Ze geleiden een beetje, maar niet extreem goed. Ideaal voor elektronica wanneer het gecombineerd wordt met geleidende elementen op de juiste plekken. Dit wordt doteren genoemd.
Maar hoewel silicium al sinds eind vorige eeuw in zo’n beetje elk elektronisch apparaat wordt gebruikt, kent het nogal wat beperkingen. Zo kan het weliswaar elektronen doorlaten waar nodig, maar kan het minder goed overweg met zogenoemde gaten. Zo’n ‘gat’ is een positieve lading die ontstaat als er een elektron is weggehaald. Ook die gaten zijn van belang voor een goede werking van elektronica.
Verder is silicium slecht in het afvoeren van warmte. Een laptop wordt bijvoorbeeld vrij snel warm van het werken en heeft een goede koeling nodig om niet oververhit te raken. De elektronicawereld heeft met deze beperkingen weten te dealen maar het is nog niet ideaal.
Hogere scores
Nu komen Chen en zijn collega’s dus met een goedje dat mogelijk wél de ideale halfgeleider voor elektronica zou kunnen zijn. Al een paar jaar geleden berekenden ze theoretisch dat kubisch boorarsenide betere elektronische eigenschappen zou hebben dan silicium.
Door gebruik te maken van geavanceerde ultrasnelle lasers hebben ze dit nu ook experimenteel weten te bevestigen. De boorarsenide scoorde iets hoger dan silicium op het gebied van elektron- en ‘gat’-vervoer en zeker tienmaal hoger op warmteafvoer.
Klinkt allemaal heel mooi natuurlijk, maar het gaat hier nog maar om zeer kleine hoeveelheden boorasenide die nét uniform genoeg gemengd waren om er betrouwbare data uit te halen. De taak van het team is nu om een manier te bedenken de productie van het goedje op te voeren voor grootschaligere tests.
Silicium had decennialang de tijd om op te klimmen tot hét hoofdingrediënt van onze elektronische apparaten. Boorarsenide zal dus nog wel wat jaren nodig hebben om een serieus alternatief te vormen. Maar het begin is er misschien wel.
Indrukwekkend
“Ik had eerlijk gezegd nog nooit van kubisch boorarsenide gehoord”, vertelt elektrofysicus Ray Hueting van de Universiteit Twente. “Dit is toch wel een eyeopener. Vooral vanwege het feit dat deze stof schijnbaar goede mobiliteitswaarden heeft voor zowel elektronen als gaten. Dat is essentieel voor het goed functioneren van de digitale logica in CMOS-technologie (bijvoorbeeld gebruikt bij beeldschermen, red.).”
“Verder is ook de thermische geleiding erg indrukwekkend, tot in het bereik van diamant!”, vervolgt hij. “Maar natuurlijk zijn er nog veel vragen. Hoe dan ook, boorarsenide lijkt een grote potentie te hebben als halfgeleider, maar we zijn er nog niet.”
Ook elektrofysicus Jan Kees Maan van de Radboud Universiteit vindt de nieuwe halfgeleider interessant, maar is sceptisch. “Al tientallen jaren verschijnen artikelen die nieuwe materialen aankondigen als ‘beter alternatief’ voor silicium. Maar ondanks alle nadelen heeft silicium een enorm technologisch voordeel wat alle nadelen in de schaduw doen staan. Namelijk dat het makkelijk te oxideren is, waardoor een goede isolator ontstaat. Alleen al vanwege dit aspect is silicium mijn inziens onverslaanbaar.”
Bronnen: Science, MIT via EurekAlert!
Beeld: Christine Daniloff/MIT