Zie Nieuws

'Exotische materialen' sluiten vriendschap met silicium

Materialen die, door een mechanische spanning, van isolerend opeens stroomgeleidend worden, zouden een interessante aanvulling kunnen zijn op de mogelijkheden op een elektronische chip. Helaas maakt dit type materialen niet graag vrienden met silicium, de standaard in chiptechnologie. Dat kan nu veranderen: onderzoekers van de Universiteit Twente (MESA+ Instituut) laten een techniek zien waarmee hun ‘exotische materialen’ toch op silicium zijn te bouwen. De resultaten worden gepubliceerd in het gezaghebbende ‘Advanced Materials’.

Al verschillende keren hebben Gertjan Koster en zijn collega’s materialen laten zien met bijzondere eigenschappen. Het zijn vaak gelaagde structuren, op de grensvlakken gebeurt het. Daar wordt het materiaal opeens stroomgeleidend of zelfs supergeleidend of optisch transparant. Het zijn materialen waarvoor wel een basis nodig is met een perfecte kristalstructuur. Je zou zeggen: bouw dit soort lagen op silicium, en je kunt mooie nieuwe functies toevoegen aan een halfgeleiderchip. Maar: silicium heeft niet de gewenste perfecte structuur, en de materialen gaan er chemisch mee reageren, zodat alles kapot kan gaan. 

Beschermlaag

Maar nu is er een dunne tussenlaag, slechts 4 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) dik, die toelaat dat er wél op silicium wordt gebouwd. Deze laag is gemaakt vaan strontiumtitanaat. Als voorbeeld demonstreren de onderzoekers een materiaal dat gevoelig is voor strain, mechanische spanning. Deze zogenaamde nikkelaten kunnen omslaan van geleider naar isolator door de strain. En dus van 1 naar 0 en weer terug. Een soort mechanisch gestuurde transistor of schakelaar.

Strain engineering

Die strain ontstaat als de aansluiting van twee lagen wel past, maar het ‘wringt’ toch een beetje. Soms is dat ongewenst, maar er zijn ook situaties waarin deze eigenschap is uit te buiten. De strain is bijvoorbeeld te beïnvloeden met de temperatuur tijdens het bouwen van de lagen. Het is al een vak dat ‘strain engineering’ heet. Piëzo-materialen zijn er ook een voorbeeld van: als je erop drukt, verandert de spanning. En andersom, via een elektrische spanning kun je het laten uitzetten of krimpen. 

VAN ENKEL SAMPLE naar WAFERs

Het strain-gestuurde materiaal zou een waardevolle component kunnen zijn op chips en is, dankzij de ultradunne beschermlaag die van IBM Research komt, nu ook te bouwen op silicium. Natuurlijk moet het daarvoor nog wel worden ingepast in de chipfabricage, dat vergt extra stappen in een sterk gestandaardiseerd productieproces, maar het principe is op een klein siliciumoppervlak al aangetoond. 

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Inorganic Materials Science, onderdeel van het MESA+ Instituut van de UT, samen met partners in België, Zwitserland, Frankrijk, Slovenië en Servië.

Het paper ‘Strain-engineered metal-to-insulator transition and orbital polarization in nickelate superlattices integrated on silicon’, door Binbin Chen, Nicolas Gauquelin, Daen Jannis, Daniel Cunha, Ufuk Halisdemic, Cinthia Piamonteze, Jin Hong Lee, Jamal Belhadi, Felix Eltes, Stefan Abel, Zoran Jovanovic, Matjaz Spreitzer, Jean Fompeyrine, Johan Verbeeck, Manuel Bibes, Mark Huijben, Guus Rijnders en Gertjan Koster, is gepubliceerd in Advanced Materials, online op 11 november 2020.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)