Wetenschapscafé 21 maart 2012

Nanotechnologie

Walter De Raedt

De spreker werkt sinds 1984 bij IMEC en leidt daar een groep die zich focusseert op enerzijds zeer kleine draadloze systemen en anderzijds nieuwe mechanische componenten (MEMS). Alles heeft te maken met nanotechnologie, technologie op nanoschaal dus, wat net boven de grootte van atomen en eenvoudige moleculen ligt (nano betekent 1 miljardste).

Walter De Raedt begon met een opsomming van de mijlpalen in de geschiedenis van de micro-elektronica, die zowat 50 jaar geleden begon met CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-schakelingen op microschaal (micro = 1 miljoenste). De technologie evolueerde dankzij de lithografische fabricagemethoden en de toegenomen materialenkennis. De befaamde fysicus Richard Feynman voorzag al dat het mogelijk zou zijn dingen te maken van een paar atomen groot. De elektronische nanotechnologie ging van start rond 1960 nadat de eerste planaire transistor was gemaakt, toen nog met germanium. De doorbraak kwam dankzij de eenvoudig te fabriceren MOS: M is aluminium, O staat voor het stabiele oxide van silicium en S voor het veel voorkomende silicium zelf, dat een goede warmtegeleider is en dus het vermogen goed kan afleiden. Eind jaren ’60 maakte CMOS dan compacte geïntegreerde schakelingen mogelijk met zeer laag stroomverbruik.

In 1971 kwam de eerste complete CPU op één chip tot stand: de Intel 4004-processor, een 4 bitprocessor met 2300 MOS-transistoren op een oppervlakte van 3 bij 4 mm. Een jaar later volgde de 8008 met 8 bit CPU en 2500 transistoren. De integratiewedloop werd uitgedrukt door de wet van Moore die stelt dat het aantal transistoren in een IC elke twee jaar verdubbelt. De spreker toonde deze quasi rechtlijnige vooruitgang van de technologie aan met een grafiek waarin de ontwikkeling in de loop der tijd werd weergegeven. Tegelijk met de toename van het aantal transistoren per cm², daalde de kleinste afmeting, verhoogde de schakelsnelheid, daalde het transistorvermogen evenals de afmetingen van de substraten en verminderde de kosten.

Walter De Raedt besprak ook de lithografische technieken en de evolutie ervan naar alsmaar meer complexe apparatuur, die het mogelijk maakt de diffractielimiet te benaderen en de soms exotische materialen waarmee men er zelfs over kan gaan. De vraag stelt zich of het einde van de schaling in zicht is. De kloksnelheid zit immers aan haar maximum zodra de afmetingen van een chip groter worden dan de tijd die een signaal nodig heeft om deze te overbruggen. Ook de noodzaak van warmteafvoer zorgt voor beperkingen.

De razend interessante voordracht van Walter De Raedt eindigde met een overzicht van de mogelijkheden bij de zoektocht naar nieuwe types actieve componenten, zoals driedimensionale schakelingen en toepassingen van nanotechnologie in MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) voor schakelaars, resonatoren, stroomsensoren, accelerometers, gyro- en druksensoren en neuroprobes in de medische wereld.

De sympathieke gastspreker kwam er met zijn voordracht niet van af en diende nog tot laat vragen te beantwoorden van een uiterst geïnteresseerd publiek.