1 - Telenet Users

Het begrip nanotechnologie
1.1
Definitie
Het is zeer moeilijk om een definitie van nanotechnologie te schrijven. Het begrip nano komt
van het Griekse woord nanos, wat letterlijk dwerg betekent. Technologie op zeer kleine schaal
is dus een gepaste uitspraak.
1.1.1
Eigen definitie
Nanotechnologie is een jonge technologie die kleine structuren bewerkt en manipuleert op
zeer kleine schaal. Die structuren gaan van moleculen tot kleine nanomachines. Het is een
onderdeel in de modernisering van de mens. Nanotechnologie kijkt naar alles wat op kleine
voet gebeurd. De gevolgen van de ontwikkeling gaat in elke sector te voelen zijn.
1.1.2
Belangrijkste definities
Volgens Nanoned, het grootste Nederlands onderzoekscentrum, is nanotechnologie het
kunnen werken op de schaal van atomen, moleculen en supramoleculaire, individueel
adresseerbare structuren (van 1 nm tot 100 nm), om daarmee grotere complex-functionele
structuren met een fundamenteel nieuwe moleculaire organisatie te kunnen maken. Met
nanotechnologie wordt het mogelijk materialen en systemen te ontwikkelen, waarvan de
componenten en structuren revolutionair nieuwe, fysische, chemische en biologische
eigenschappen, verschijnselen en processen vertonen die samenhangen met de nanoafmetingen.
Voor Imec, het belangrijkste Belgische onderzoekscentrum gelokaliseerd in Leuven, is
nanotechnologie de technologie voor het fabriceren en controleren van functionele
structuren met atomaire precisie.
2.1. Geschiedenis
De eerste maal dat nanotechnologie ter sprake kwam, was in de toespraak van de
Nobelprijswinnaar Richard Feynman in 1959. De speech genaamd There’s plenty of room at
the bottom vond plaats op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society. In
deze toespraak maakt hij gebruik van voorbeelden om te illustreren dat er een enorme
hoeveelheid informatie kan opgeslagen worden op een beperkte plaats. Hij schatte dat
ongeveer alle boeken op de wereld (24 miljoen, allemaal dezelfde grote als een encyclopedie)
op nanoschaal geschreven, even groot waren als een stukje stof. Nauwelijks waarneembaar
voor het menselijke oog.
Het onderwerp won bekendheid toen Eric Drexler zijn eerste boek uitbracht over de
basisbeginselen van nanotechnologie en hun toekomstige toepassingen, Engines of Creation:
The Coming Era of Nanotechnology. Zijn tweede boek Nanosystems: Molecular Machinery,
Manufacturing, and Computation ging hij veel dieper in op het onderwerp en het maken van
nanosystemen.
Maar de allergrootste doorbraak kwam er in 1981 toen Heinrich Rohrer en Gerd Binnig, IBMonderzoekers en nobelprijswinnaars, een roostertunnelmicroscoop ontwikkelden. Daarmee
konden zij voor het eerst afzonderlijke atomen zien. De microscoop (STM) werkte op basis
van een naald die over een oppervlakte zweefde en zo de kleine knobbeltjes kon waarnemen
en een computer zette deze informatie om in een gekleurd beeld. Maar omdat de microscoop
niet op punt stond, sprong soms de naald in het oppervlakte. Als de naald dan uit het
oppervlakte kwam, pakte ze altijd een paar atomen mee. Zo is de eerste machine ontstaan die
afzonderlijke atomen kom manipuleren.
In 1990 konden de onderzoekers in San José, Californië, de legendarische letters IBM spellen
op nanoschaal. Ze schikten een aantal xenonatomen op een nikkelkristal. Dit was de eerste
stap in nanotechnologie. Voor velen is dit het echte begin van de nano-ontwikkelingen.
Verschillende technologieën
2.2. Nano-elektronica
2.1.1. De wet van Moore
In 1965 maakte de Amerikaan Gordon Moore een bekende uitspraak. Hij stelde dat het aantal
transistors op een chip elke 12 maand zou verdubbelen. Dit betekent dat de rekenkracht van
de computers zou verdubbelen. Doorheen de tijd werd de uitspraak aangepast van 12 naar 18
maanden en uiteindelijk naar 24 maanden. Deze uitspraak geldt nog steeds, maar
wetenschappers weten dat de wet niet lang meer gaat meegaan. Ook Moore zelf is zich
bewust van het probleem. In het jaar 2017 voorspelt hij dat zijn bekende uitspraak niet meer
geld. De onderzoekers krijgen steeds meer problemen met de wetten van de fysica.
2.1.2. Chips
2.3.2.1 Klassieke chipfabricage of topdownbenadering
De grondstof voor een chip te maken is zuiver zand. Door verscheidene bewerkingen zal men
uit het zand het element silicium kunnen verkrijgen. Dit element is noodzakelijk voor de
werking van chips. Deze stof is een halfgeleider, dit wil zeggen dat er stroomgeleiding
ontstaat door het toevoegen van energie in de vorm van warmte. Silicium laat ook elektrische
stroom door wanneer het element wordt verontreinigd met andere stoffen zoals boor of fosfor.
Het bekomen silicium wordt versneden in schijven. Zo’n schijf noemt men een wafer. De
siliciumschijven hebben een dikte van 0.2mm en worden in 125, 200 of 300 mm doorsnede
gezaagd.
Het proces om de fijne patronen op de siliciumschijf aan te brengen noemt lithografie. Eerst
wordt op de siliciumschijf een laag met lichtgevoelig plastic aangebracht. Het elektronisch
circuit staat op een masker en wordt via uv-licht en lenzen geprojecteerd op de siliciumschijf.
De delen die belicht zijn van de lichtgevoelige laag worden verwijderd. Daarna worden de
delen zonder de lichtgevoelige laag weggeëtst door middel van gassen of zuren. Er ontstaan
kanaaltjes die gevuld worden met vreemde ionen (boor, fosfor…). De eigenschappen van
silicium worden zeer lokaal gewijzigd, waardoor er transistors ontstaan. Zij zijn de
bouwstenen van het elektronisch circuit.
Tussen de verschillende transistors worden nadien isolerende lagen en metaalverbindingen
aangebracht. Zo kunnen de elektrische signalen geen fout maken.
Uiteindelijk staan op een siliciumschijf enkele honderden naakte chips of dices. Na het
reinigen en verzagen door middel van een lazer kunnen de chips afzonderlijk verpakt worden.
Momenteel hebben de transistors een breedte van 90 nanometer. Maar om meer schakelingen
(transistors) op een chip te zetten, zijn er kleine structuren nodig. Vanaf 2017 zullen de
transistors een breedte hebben van 20 nanometer. Vanaf die grootte duiken er problemen op,
de wetten uit de kwantummechanica kunnen de werking van de transistors verstoren.
Een eerste probleem is dat de breedte van het kanaaltje evenredig moet zijn met de golflengte
van het uv-licht. Hoe kleiner de breedte van de transistors, hoe kleiner de golflengte.
Uiteindelijk moeten de kleinere golflengten worden bereikt met een aantal trucs.
Het tweede puntje is het projecteren van het circuitpatroon op de siliciumschijf. Het
projecteren gebeurt met nauwkeurige lenzen en spiegels. Maar een kanaaltje van 20
nanometer moet het zeer precies gebeuren. Het kanaaltje is amper 100 siliciumatomen breed.
Volgens de kwantummechanica is het mogelijk dat er een proces bestaat waarbij de
elektronen gaan tunnelen. Hierbij vervaagt het verschil tussen de aan en uit stand van de
schakelaar. Het proces kan worden beperkt door zeer netjes te etsen.
Één van de dichtstbijzijnde problemen is de warmte die de chips gaan afgeven als ze op een
grote snelheid werken. Wetenschappers gebruiken andere metaal om dit probleem op te
lossen. Ook betere coolingsmethodes door middel van watercooling of door te werken met
peltiers.
2.3.2.1 Bottom-up
Het basisidee bij de bottom-up methode is het gebruik van een enkel molecuul als transistor.
Ze gaan ervan uit dat er materiaal wordt toegevoegd in plaats van weggenomen. Een
belangrijk onderdeel van bottom-up is de zelfassemblage.
Een nieuw soort transistor is ontstaan via deze methode. De nanobuisjes of buckybuizen
hebben een patroon van kippengaas. Ze bestaan uit koolstofatomen. Het oorspronkelijke
probleem met de nanobuisjes was dat ze niet dezelfde eigenschappen hadden. Door de buisjes
op een siliciumchip te zetten en vervolgens een serie elektrische pulsen door de chip te sturen,
kon men de halfgeleiders ontdekken. Deze halfgeleiders werden dan gebruikt al transistors.
Maar ze bleken veel sneller te werken dan de ordinaire transistors. Ze konden ook werken
tegen een lager energieverbruik. Wat voor de toekomst zeer interessant kan zijn.
Deze technologie is nog maar heel jong. Ze heeft nog een lange weg te gaan. Maar
wetenschappers denken dat de bottom-up methode nooit de traditionele methode, die al veel
ontwikkelder is, zal verslagen. lithografie is nog altijd de beste methode, ze is goedkoper en
geschikt voor massaproductie. Ze staat ook al meer op punt dan de bottom-up methode.
Maar er is een toekomst voor deze methode. Andere toepassingen zijn bijvoorbeeld het
koppelen van elektrische signalen of de nanomechanica.
2.1.3. De nano-elektronica industrie
2.3.2.1
Processors
De huidige processors bevatten meerdere delen maar een core en het cachegeheugen zijn de
belangrijkste. De core wordt omgeven door het cachegeheugen.
Het cachegeheugen is het snelste geheugen in een computer. Het werkt aan dezelfde snelheid
als je processor. Maar het cachegeheugen is niet bedoeld voor massaopslag maar voor dingen
op te slaan die de processor veel nodig heeft. Producenten van processors verhogen alsmaar
het cachegeheugen om zo meer data te kunnen opslaan in dat geheugen en de computer
sneller te laten werken. Als een computer data moet ophalen vanuit het ramgeheugen, doet hij
daar 60 nanoseconden over. Maar als hij vanuit zijn cache iets kan laden duurt het maar 2
nanoseconden.
De core is het belangrijkste deel, hij is de eigenlijke processor. De core voert alle
berekeningen uit. De huidige grote van de cores is 90 nm. In de toekomst worden ze alsmaar
kleiner en kleiner. In de toekomst willen op 65 nm en 45 nm produceren. Tegenwoordig zijn
processors met twee cores of meer geen uitzondering. Ze zijn meestal nodig voor zware
berekeningen of dienen als server. Het aantal transistors per core verdubbelen ook volgens de
Wet van Moore.
Momenteel is er een strijd tussen de twee grootste chipsetproducenten van de wereld, AMD
en Intel. De producenten maken allebei gebruik van nanotechnologie om de snelheid te
vermeerderen. Intel was een grondlegger van nanotechnologie (Richard Feynman was één van
de oprichters). Maar de nieuwkomer AMD doet samen met IBM onderzoek naar kleinere
cores. In de toekomst zullen er ‘multi-gate transistors’ komen, die hebben 2 uitgangen om de
elektronen kwijt te raken. Momenteel zijn er alleen nog maar transistors die 1 uitgang hebben.
Er is ook onderzoek naar de eerder vermelde nanotubes. Zij zullen ervoor zorgen dat de chips
kleiner en sneller zullen werken. De meest recente techniek noemt Extreme Ultraviolet(EUV).
Dit is een techniek die door het gebruik van licht met een kortere golflente voor preciezere
chipfabricage en kleinere chips kan zorgen.