In de voormalige kantine op zolder van de faculteit Natuurkunde bouwt het Delft Institute for Micro Electronics and Submicron Technology (Dimes) een ‘nanofabriek%.
Delen
Veel kleiner kun je in deze wereld geen structuren bouwen: in dit centrum voor nanofabricage moet het mogelijk worden om afzonderlijke atomen te manipuleren.
Meer dan achteneenhalf miljoen gulden kost de meterslange opstelling op zolder. De helft betaald door Dimes, de andere helft door de stichting FOM (fundamenteel onderzoek der materie). Voor dat geld heeft de TU een unicum in huis. De Amerikaan Eigler, een gerenommeerd nanofysicus en beroemd van het IBM-logo dat hij in losse atomen schreef, was onder de indruk toen hij Delft bezocht. ,,No one in the world is coming anywhere near what you are doing. In the US there are only gypsies. I thougt Japan was the most serious in the field, but this is really the place”, zei Eigler tegen de coördinator van het onderzoeksproject, Bart Geerligs.
Het onderzoek ‘Nanoschaal experimenten en technologie’ (NEXT) wil af van de beperkingen waar de klassieke elektronica tegenaan loopt. Dimes probeert om alsmaar kleinere structuren te bouwen. Dat is van groot belang voor chips met grote hoeveelheden transistoren.
Nu gaat het maken daarvan als volgt. In een laklaag op een plak silicium worden patronen geschreven met behulp van licht of elektronen. Om deze schakelingen af te beelden op silicium gebruikt de huidige chipindustrie patronen als ‘maskers%.
Met maskers kunnen echter geen structuren gemaakt worden met een afmeting kleiner dan dertig nanometer. ,,We willen die grens een factor tien lager leggen%%, vertelt Geerligs. ,,Dus moeten we nieuwe manieren van fabricage proberen, maskerloze technieken. Daarvoor is de modernste techniek nodig. Een belangrijk onderdeel is dat we alle fabricagestappen en metingen in ultrahoog vacuüm willen uitvoeren. Dat is uniek in de wereld.%%
Hij wijst met trots op de twintig meter lange buis. ,,Daarin zit het transportsysteem met een treintje, dat tussen de verschillende vacuümketels rijdt. De zolder van Natuurkunde is de enige plaats waar zo iets nog past. Bovendien is de locatie, onder het dak, ook veiliger in verband met de gevaarlijke gassen waarmee we gaan werken.%%
Defect
In vacuüm werken is essentieel voor het project. Geerligs: ,,Dit soort kleine structuren kan makkelijk beschadigen bij blootstelling aan de lucht.%% En een defect van één atoom kan sommige structuren al onbruikbaar maken. ,,Je wilt atomaire controle en dan moet je alle onregelmatigheden in het materiaal uitsluiten.”
Next moet nieuwe gezichtspunten opleveren in de zogenaamdemesoscopische fysica, het gebied van de natuurkunde tussen klassieke (macroscopisch) en quantummechanica (microscopisch). In dit gebied geldt dat kleinere afmetingen de verschijnselen beter zichtbaar maken. Geerligs: ,,Op dit moment trekken de eendimensionale quantumdraden erg de aandacht. In zo’n dunne draad is de elektron-interactie veel sterker dan in twee of drie dimensies en kun je quantummechanische effecten veel duidelijker zien.”
In iedere vacuümketel zal een bepaalde stap in het productieproces plaatsvinden. Bijvoorbeeld een ketel voor het schoonmaken van het substraat waarop de structuren komen te staan, een ketel om met een elektronenmicroscoop het sample te bekijken en een ketel om de metingen in te doen. In totaal komen er zo’n acht à negen ketels.
,,We bewandelen met de techniek een veilige weg. We gebruiken zoveel mogelijk standaardelementen. Zo gaan we bijvoorbeeld een Scanning Tunneling Microscoop (STM) kopen, maar we gebruiken ook een zelfontwikkelde STM.”
Naald
De STM wordt een van de belangrijkste technieken in NEXT. ,,In deze microscoop wordt een bijzonder dunne metalen naald heel precies op een bepaalde afstand boven het oppervlak gehouden. De resolutie is heel hoog: je kunt een enkel atoom zien liggen op het oppervlak. Maar met diezelfde punt van de naald, de tip, kun je ook potentiaalverschillen opwekken die in dezelfde orde van grootte liggen als de energie-niveaus van elektronen in atomen. Je kunt de stof dus scheikundig veranderen. Hiermee is Eigler wereldberoemd geworden, toen hij het IBM-logo in losse atomen schreef.”
Geerligs vertelt dat de onderzoekers van NEXT een stapje verder willen gaan. ,,Eigler stelt hoge eisen aan het materiaal, hij werkt met een extreem vlak metaal. Wij willen op halfgeleiders gaan werken. Dat is nog niemand gelukt.”
Eind dit jaar moeten zes promovendi en postdocs met het project bezig zijn. De coördinatie van het project is nu in handen van de verschillende secties van de vakgroep vaste stof bij Natuurkunde.
Liesbeth Venema, oio bij de sectie quantumtransport, zal een van de eerste gebruikers zijn van het NEXT-project. ,,Ik gebruik de STM om de elektrische eigenschappen van enkele polymeren te onderzoeken”, vertelt Venema. ,,Op den duur wil ik in staat zijn om de stroom door één polymeer te meten.”
Volgens Venema is dit van belang voor de vraag of je met een enkel molecuul een elektronisch apparaat kunt maken. ,,Dan moet je veel beter weten hoe de fysica van ladingstransport in zo’n molecuul in elkaar zit. Dat onderzoek stelt hoge eisen aan de microscoopnaald en de samples. Binnen het NEXT-systeem kun je die eisen waarmaken.”
Geerligs benadrukt dat toepassingen nog ver te zoeken zijn. ,,Maar volgens mij is onderzoek dat potentieel toepassingen heeft ook gerechtvaardigd. Wat we hier doen is door nieuwsgierigheid gedreven onderzoek, maar we verwachten zeker bruikbare resultaten.”
In de voormalige kantine op zolder van de faculteit Natuurkunde bouwt het Delft Institute for Micro Electronics and Submicron Technology (Dimes) een ‘nanofabriek%. Veel kleiner kun je in deze wereld geen structuren bouwen: in dit centrum voor nanofabricage moet het mogelijk worden om afzonderlijke atomen te manipuleren.
Meer dan achteneenhalf miljoen gulden kost de meterslange opstelling op zolder. De helft betaald door Dimes, de andere helft door de stichting FOM (fundamenteel onderzoek der materie). Voor dat geld heeft de TU een unicum in huis. De Amerikaan Eigler, een gerenommeerd nanofysicus en beroemd van het IBM-logo dat hij in losse atomen schreef, was onder de indruk toen hij Delft bezocht. ,,No one in the world is coming anywhere near what you are doing. In the US there are only gypsies. I thougt Japan was the most serious in the field, but this is really the place”, zei Eigler tegen de coördinator van het onderzoeksproject, Bart Geerligs.
Het onderzoek ‘Nanoschaal experimenten en technologie’ (NEXT) wil af van de beperkingen waar de klassieke elektronica tegenaan loopt. Dimes probeert om alsmaar kleinere structuren te bouwen. Dat is van groot belang voor chips met grote hoeveelheden transistoren.
Nu gaat het maken daarvan als volgt. In een laklaag op een plak silicium worden patronen geschreven met behulp van licht of elektronen. Om deze schakelingen af te beelden op silicium gebruikt de huidige chipindustrie patronen als ‘maskers%.
Met maskers kunnen echter geen structuren gemaakt worden met een afmeting kleiner dan dertig nanometer. ,,We willen die grens een factor tien lager leggen%%, vertelt Geerligs. ,,Dus moeten we nieuwe manieren van fabricage proberen, maskerloze technieken. Daarvoor is de modernste techniek nodig. Een belangrijk onderdeel is dat we alle fabricagestappen en metingen in ultrahoog vacuüm willen uitvoeren. Dat is uniek in de wereld.%%
Hij wijst met trots op de twintig meter lange buis. ,,Daarin zit het transportsysteem met een treintje, dat tussen de verschillende vacuümketels rijdt. De zolder van Natuurkunde is de enige plaats waar zo iets nog past. Bovendien is de locatie, onder het dak, ook veiliger in verband met de gevaarlijke gassen waarmee we gaan werken.%%
Defect
In vacuüm werken is essentieel voor het project. Geerligs: ,,Dit soort kleine structuren kan makkelijk beschadigen bij blootstelling aan de lucht.%% En een defect van één atoom kan sommige structuren al onbruikbaar maken. ,,Je wilt atomaire controle en dan moet je alle onregelmatigheden in het materiaal uitsluiten.”
Next moet nieuwe gezichtspunten opleveren in de zogenaamdemesoscopische fysica, het gebied van de natuurkunde tussen klassieke (macroscopisch) en quantummechanica (microscopisch). In dit gebied geldt dat kleinere afmetingen de verschijnselen beter zichtbaar maken. Geerligs: ,,Op dit moment trekken de eendimensionale quantumdraden erg de aandacht. In zo’n dunne draad is de elektron-interactie veel sterker dan in twee of drie dimensies en kun je quantummechanische effecten veel duidelijker zien.”
In iedere vacuümketel zal een bepaalde stap in het productieproces plaatsvinden. Bijvoorbeeld een ketel voor het schoonmaken van het substraat waarop de structuren komen te staan, een ketel om met een elektronenmicroscoop het sample te bekijken en een ketel om de metingen in te doen. In totaal komen er zo’n acht à negen ketels.
,,We bewandelen met de techniek een veilige weg. We gebruiken zoveel mogelijk standaardelementen. Zo gaan we bijvoorbeeld een Scanning Tunneling Microscoop (STM) kopen, maar we gebruiken ook een zelfontwikkelde STM.”
Naald
De STM wordt een van de belangrijkste technieken in NEXT. ,,In deze microscoop wordt een bijzonder dunne metalen naald heel precies op een bepaalde afstand boven het oppervlak gehouden. De resolutie is heel hoog: je kunt een enkel atoom zien liggen op het oppervlak. Maar met diezelfde punt van de naald, de tip, kun je ook potentiaalverschillen opwekken die in dezelfde orde van grootte liggen als de energie-niveaus van elektronen in atomen. Je kunt de stof dus scheikundig veranderen. Hiermee is Eigler wereldberoemd geworden, toen hij het IBM-logo in losse atomen schreef.”
Geerligs vertelt dat de onderzoekers van NEXT een stapje verder willen gaan. ,,Eigler stelt hoge eisen aan het materiaal, hij werkt met een extreem vlak metaal. Wij willen op halfgeleiders gaan werken. Dat is nog niemand gelukt.”
Eind dit jaar moeten zes promovendi en postdocs met het project bezig zijn. De coördinatie van het project is nu in handen van de verschillende secties van de vakgroep vaste stof bij Natuurkunde.
Liesbeth Venema, oio bij de sectie quantumtransport, zal een van de eerste gebruikers zijn van het NEXT-project. ,,Ik gebruik de STM om de elektrische eigenschappen van enkele polymeren te onderzoeken”, vertelt Venema. ,,Op den duur wil ik in staat zijn om de stroom door één polymeer te meten.”
Volgens Venema is dit van belang voor de vraag of je met een enkel molecuul een elektronisch apparaat kunt maken. ,,Dan moet je veel beter weten hoe de fysica van ladingstransport in zo’n molecuul in elkaar zit. Dat onderzoek stelt hoge eisen aan de microscoopnaald en de samples. Binnen het NEXT-systeem kun je die eisen waarmaken.”
Geerligs benadrukt dat toepassingen nog ver te zoeken zijn. ,,Maar volgens mij is onderzoek dat potentieel toepassingen heeft ook gerechtvaardigd. Wat we hier doen is door nieuwsgierigheid gedreven onderzoek, maar we verwachten zeker bruikbare resultaten.”
Comments are closed.