Nieuwe vacuümcomponenten van metamateriaal zouden de elektronica weer verder op weg kunnen helpen (afb: univ. van Californië)
Ingenieurs van de universiteit van Californië in San Diego hebben naar eigen zeggen de eerste microelektronische component gemaakt zonder halfgeleiders. Door gebruik te maken van metamaterialen, materialen met bijzondere eigenschappen, bouwden ze een elektronisch element met, geactiveerd door een laagvermogenlaser, een tien keer hogere geleidbaarheid, . Met deze halfgeleidervrije componenten zou de ontwikkeling van de elektronica wat snelheid en vermogen betreft weer een tijdje vooruit kunnen en zou ook de ontwikkeling van zonnecellen gebaat zijn, stellen de onderzoekers. Nu worden die ontwikkelingen geremd door de grenzen die het gebruik van halfgeleiders met zich meebrengen.
Halfgeleiders hebben hun grenzen en als die bereikt zijn dan stokt de ontwikkeling van de elektronica naar sneller, kleiner en minder energie. Zo hebben halfgeleiders beperkingen wat betreft hun geleidbaarheid, de elektronenstroomsnelheid. Die snelheid wordt beperkt doordat de elektronen tijdens hun reis door het materiaal regelmatig botsen met andere deeltjes.
Dan Sievenpiper en medeonderzoekers bedachten dat het handig was die blokkades weg te nemen door de elektronen in de vrije ruimte te laten bewegen in plaats van in vaste stof. Dat zou moeten gebeuren op microschaal. In feite de oude vacuümbuizen die de elektronica overheersten voor het halfgeleidertijdperk (zie plaatje).
Elektronen losmaken van materiaal is makkelijker gezegd dan gedaan. Je moet dan of met hoge spanningen werken, met hoogvermogenlasers of bij hoge temperaturen van zo’n 700°C en dat is allemaal niet zo praktisch voor componenten op micro- of zelfs nanoschaal. Sievenpiper c.s. bouwden een element bestaand uit een bewerkt oppervlak, dat ze meta-oppervlak noemen, op een siliciumlaag met daartussen een SiO2-laag. De meta-laag bestaat uit een raster paddestoelachtige goudstructuren en een raster parallelle goudstrookjes.
Dat gouden meta-oppervlak is zo ontworpen dat bij een spanning van minder dan 10 V en beschenen door infrarood licht van een laagvermogenlaser, er plaatsen ontstaan met een sterk elektrisch veld. Dat veld zorgt er voor dat elektronen de ‘ruimte kiezen’.
De geleidbaarheid van die meta-componenten zou ruim tien keer groter zijn dan van halfgeleidercomponenten. “Dat betekent dat er meer elektronen beschikbaar zijn om te manipuleren”, zegt medeonderzoeker Ebrahim Forati.
Geen totale vervanging
Sievenpiper: “Dat wil niet zeggen dat deze componenten alle halfgeleidercomponenten zullen vervangen, maar het kan de beste oplossing zijn voor bepaalde toepassingen bij, bijvoorbeeld, hoge frekwenties of hoogvermogencomponenten.” Volgens de onderzoekers was dit meta-component bedoeld om te laten zien dat het kan. Er zullen diverse metamaterialen moeten worden bedacht voor diverse componenten.
Vervolgens zullen de onderzoekers dan nog eens beter moeten kijken naar de mogelijkheden en beperkingen van die meta-componenten. Ze kijken ook naar mogelijkheden buiten de elektronica.
Ze denken dan aan toepassingen als fotochemie, fotokatalyse, de ontwikkeling van nieuwe zonnecellen of milieutoepassingen. Ook vermelding verdient het dat het onderzoek is betaald door defensie. Wat willen die militairen hiermee?
Bron: EurekAlert