Delftenaren vinden nieuw type molecuul
Onderzoekers van de TU Delft en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) hebben in samenwerking met Australische, Amerikaanse en Belgische collega's een nieuw type molecuul waargenomen. Het bestaat uit twee zeer verschillende atomen – één natuurlijk en één kunstmatig. Deze opmerkelijke combinatie werd aangetoond in een zeer kleine innovatieve transistor (FinFET). De wetenschappers publiceren deze week over hun bevindingen in Nature Physics.
De ontdekking van het bijzondere molecuul begon toen FOM-promovendus Gabri Lansbergen van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft zeer precieze metingen uitvoerde van de stroom die door zogenoemde FinFET's loopt. De gebruikte FinFET's zijn aanpassingen van een geavanceerde industriële transistor (een MOSFET), en zijn gemaakt door IMEC, het Leuvense onderzoekscentrum voor micro-elektronica. Deze zeer kleine transistor bestaat uit een silicium nanodraad, met een breedte van enkele tientallen nanometers waarbij de stroom, onder bepaalde omstandigheden, door één enkel atoom vloeit (in dit geval arseen). De nanodraad is gekoppeld aan een 'gate'; door het aanbrengen van een spanning op de gate laat men elektronen door het siliciumgebied met daarin het arseenatoom stromen.
Lansbergen vond kleine verstoringen van de stroom door de FinFET die karakteristiek zijn voor de aanwezigheid van een enkel atoom in het silicium basismateriaal van de kleine transistor. De data kwam echter met geen enkel atoom dat daarin zouden kunnen voorkomen, overeen. Samen met de University of Melbourne en Purdue University (VS) werd het mysterie vervolgens opgelost. De wetenschappers gebruikten rekenmethoden die zijn ontwikkeld voor het ontwerp van een silicium quantumcomputer. Purdue University voerde simulaties uit van het gedrag van miljoenen siliciumatomen in het cruciale gebied van de FinFET. De onderzoekers konden hierdoor een nieuw hybride molecuul van twee atomen identificeren, waarvan een deel natuurlijk is en een deel kunstmatig. Eén uiteinde van het molecuul wordt gevormd door een arseenatoom dat aanwezig is in het silicium basismateriaal van de transistor. De andere kant van het molecuul bestaat uit een kunstmatig gecreëerd arseenatoom, gevormd door de spanning die gecontroleerd op de gate van de transistor wordt gezet. Een natuurlijk molecuul van twee atomen zou haltervormig zijn. Het hybride molecuul is echter bolvormig aan de kant van het natuurlijke arseenatoom, plat aan de kunstmatige kant en ongeveer twintig keer groter dan een natuurlijk molecuul. De berekeningen lieten echter wel een grote mate van overeenstemming zien tussen experiment en de theorie. Dit geeft een basis voor nieuwe quantumtechnologie waarbij atomen gericht en op quantumniveau kunnen worden aangepast.
Onderzoekers van de TU Delft waren er recent met FinFET's al in geslaagd om stroomtransport door één enkel atoom te realiseren. Verdere ontwikkeling van FinFET's zou kunnen helpen om verdere miniaturisering van elektronica mogelijk te maken. Deze miniaturisering dreigt zonder nieuwe doorbraken op middellange termijn te verzanden.