Ingeniøren|net  



Netdebat - oversigt
software til web...
Simpelt spørgsmål om...
software til web...
400/200 Film
400/200 Film
Video
Toshiba Bærbar???
400/200 Film
Fladt genopladeligt...
400/200 Film
Toshiba Bærbar???
Nervesmerter
software til web...
DVD
Bærbar igen
50 seneste indlæg

 Annonce:

 

Kul på elektronikken

Kulstof-elektronik kan om en årrække blive tusinde gange hurtigere end silicium-elektronik. Danske forskere har allerede lavet de første komponenter

Af Jens Ramskov - ram@ing.dk
Lørdag, 14/04/2001 07:05

I 1998 kom fysikeren David Cobden til København.
Med sig i lommen havde han nogle få gram kulstof fra Rice University i Texas.
Ikke almindeligt kulstøv, hverken grafit eller diamant, men en helt ny form. Kulstof-nanorør. Det blev begyndelsen på en nyt forskningsfelt sammen med docent Poul Erik Lindelof på Niels Bohr Instituttets Ørsted Laboratorium.

I dag tre år senere er David Cobden rejst videre til England. Men nanorørene har slået rod på laboratoriet.

Jesper Nygård bruger et scanningsprobe mikroskop, når han skal studere de enkelte nanorør på silicium-chippen. Mikroskopbilledet, med Jesper Nygårds hoved overlejret, viser et nanorør (grønt), der ligger som en bro henover to guldelektroder med en afstand på 0,1 mikrometer. (Foto: Bo Tornvig/Sputnik)
Forskningsadjunkt Jesper Nygård har netop afsluttet sit ph.d-studium og begyndt på et to-årigt stipendium fra Statens Teknisk-Videnskabelige Forskningsråd med henblik på at studere nanorørenes elektroniske egenskaber.

Hans gruppe har allerede lavet de første transistorer baseret på nanorør. Tilmed er de monteret i standard chip, så i princippet er de første komponenter allerede til rådighed.

»Men der er lang vej til masseproduktion,« understreger Jesper Nygård.

Nanorørene er nemlig endnu nogle uregerlige størrelser, der skal håndteres enkeltvis. Alligevel er det forbavsende enkelt at arbejde med nanorør. Forskerne benytter samme velkendte litografiteknikker og målesystemer, der også anvendes inden for anden mikro- og nanoteknologi. De måler spændinger i volt-området. Strømmene er godt nok under en mikroampere, men det udgør ikke noget problem.

Teknikken er forholdsvis enkel og ikke særlig dyr. Men forståelsen af hvad der foregår, stiller store krav.
»Vi fremstiller elektronikkomponenter, men fundamentalt set laver vi atomfysik,« siger Jesper Nygård.

Kulstofs mange former
Kulstof danner molekyler i mange former. Diamant er for mange den mest eftertragtede form. Her binder hvert kulatom sig direkte til fire andre i en rumlig kubisk form. I grafit er krystaldannelsen flad og sekskantet.

Forestiller man sig, at man tager et enkelt grafitlag og ruller det sammen, får man et kulstof-rør, nøjagtig på samme måde, som man kan rulle et stykke papir sammen til et papirrør. Kulstof-røret vil have en diameter omkring en nanometer og kan have en længde, der er op til 100.000 gange så stor. Det lange rør kaldes et nanorør.
De blev opdaget af Sumio Iijima fra NEC Fundamental Research Laboratory i Japan i 1991.

Iijima fandt de lange tynde rør i sod, helt tilfældigt. Nanorørene er i familie med det fodboldformede C60molekyle, der blev opdaget i 1985.

Nu laves nanorør ikke ved, at fysikerne sidder og ruller med grafitlag. Rørene gror i virkeligheden af sig selv uden nogen helt præcis endnu ved, hvordan det sker.

På Københavns Universitet foregår det i dag ved, at dampe af metan ledes hen over en siliciumskiver, hvorpå der er pålagt et antal mindre jernoxidpletter (nærmest rustpletter). Ved en temperatur på ca. 900 grader celsius virker rusten som en katalysator, hvorfra der vil vokse et antal nanorør i alle retninger.

»Vi ved ikke, hvor hurtigt processen foregår. Om det sker på sekunder eller minutter. Vi kører processen i ti minutter. Så er vi i praksis sikre på at have masser af nanorør liggende på siliciumskiven,« fortæller Jesper Nygård.

Siliciumskiven kan i forvejen være forsynet med et antal guldelektroder. I mikroskopet leder fysikerne så efter steder, hvor nanorør ligger som en forbindelse fra en elektrode til en anden. Og de steder undersøger man så nærmere.

I princippet kan det også ske omvendt. Først finder man de rette nanorør, og bagefter pålægger man guldelektroder, de steder man ønsker sig.

Sære egenskaber
Nanorørene har nogle helt specielle mekaniske egenskaber. De er lettere end aluminium og har større trækstyrke end stål. En gruppe nanorør, der er snoet sammen til tykkelsen af et menneskehår, kan løfte 100 kilogram. Faktisk opfylder det de mekaniske betingelser for at bygge en elevator fra Jorden op til satellitter i den geostationære bane i en højde af 36.000 kilometer. Men det er foreløbig kun science fiction.

Det er dog ikke de mekaniske egenskaber ved nanorørene, der er Jesper Nygårds forskningsfelt. Det er de elektriske egenskaber. Og de kan også være ret så mærkelige. Et nanorør kan enten være et metal eller en halvleder. Endnu kan man ikke styre processen, så man kun laver den ene eller den anden type. Forskerne må finde hvert enkelt nanorør og gennem målinger finde ud af, hvad det er for en størrelse.

Et halvledende rør placeret mellem to guldelektroder kan virke som en transistor, hvor en tredje elektrode styrer den spænding, der skal til for at tænde og slukke for transistoren.

Nogle teoretikere mener, at en nanorør-switch kan fungere med en clockfrekvens på 1000 GHz – tusinde gange så hurtigt, som de bedste processorer i dag.

En elektron er nok
I en normal transistor er det elektronens ladning, der styrer transistoren. Det samme kan ske i nanorørstransistorer, men en anden mulighed er at lade elektronens spin kontrollere transistoren. Elektronens spin er en kvantemekanisk størrelse, der simplificeret kan forklares ud fra, at elektronen opfører sig som en roterende kugle. Spinnet er knyttet til elektronens magnetiske egenskaber.

Da to elektroner ikke kan lide at være i samme kvantemekaniske tilstand, vil de have modsatrettet spin, hvis de er tilstede det samme sted.

Jesper Nygård har lavet en spinkontrolleret kontakt, hvor et nanorør forbinder to guldelektroder. Er der et lige antal elektroner til stede på nanorøret, vil spinnet for den ene halvdel elektroner præcis opvejes af det modsatrettede spin fra den anden halvdel. Målinger viser så, at forbindelsen mellem de to guldelektroder er lukket. Er der et ulige antal elektroner på nanorøret, vil spinnene ikke ophæve hinanden. Det betyder, at kontakten er åben, og der kan flyde strøm mellem de to elektroder.

»På den måde kan vi med en enkelt elektron åbne og lukke for kontakten,« siger Jesper Nygård.

Den detaljerede fysiske forklaring er ganske kompliceret. Jesper Nygård, David Cobden og Poul Erik Lindelof har beskrevet den i en artikel i tidsskriftet Nature i november måned 2000.
Metal eller halvleder:
Om et materiale er et metal eller en halvleder afhænger af de energitilstande, der er til rådighed for elektronerne. Kan de let bevæge sig op i det såkaldte ledningsbånd, er materialet et metal. Skal elektronerne have et energiskub i form af et elektrisk felt for at nå op i ledningsbåndet, er materialet en halvleder. Grafit er såkaldt semi-metallisk, fordi der lige netop er adgang for elektronerne til ledningsbåndet, men kun for få elektroner ad gangen. Energitilstandene i et nanorør udgør en vis del af hele grafittens energitilstande. Afhængig af rørets diameter kan det betyde, at der lige netop er forbindelse fra elektronerne til ledningsbåndet (nanorøret er metallisk), eller der er en energiafstand, der gør røret til en halvleder. Når man fremstiller nanorør, får man cirka 1/3 metalliske rør og 2/3 halvledende rør.

Egenskaber for nanorør
  Nanorør Til sammenligning
Størrelse 0,6 - 1,8 nm i diameter

Elektronstråle-litografi:
Linjer med 50 nm bredde

Massefylde 1,33 - 1,40 g/cm3 Aluminium:
2,7 g/cm3
Trækstyrke 45 GPa Højstyrke stål:
2 GPa
Strømkapacitet 1.000 MA/cm2 Kobber:
1 MA/cm2
Temperatur-stabilitet Op til 2.800°C i vakuum.
Op til 750°C i luft.
Metaltråde i mikrochip:
600-1000°C
Kilde: Scientific American, dec. 2000

Nordisk samarbejde om telemedicin
Kryds dig til Linux
Kul på elektronikken
1000 nye job i ESAs Mars-projekt
Telia sælger til fond
Kæmpebatteri på aktier
Ny ovnlinie til Vestforbrænding
Olieboring med laser
EU vil forebygge søulykker
Cowi hjælper med Estlands miljø
Syret pinball og nostalgiske luftdueller
Lange udsigter for støjramt navigering
Mindre olieforbrug på færger
Global certificering
Fire lande - et spor
Olieboringer svækker torsk
Finger D i Kastrup vokser
Vindmøllevinger af hamp
Ministerium mørklægger gidselsag
Den værste cykelsti skal kåres
Nyhedsoversigten

Ingeniøren|net