Nieuwe materialen voor de computer van de toekomst

Milan Radovic is een wetenschappelijk medewerker aan de SIS-Beamline (Spectroscopie van Interfaces en Oppervlakken) van de Synchrotron Lichtbron Zwitserland SLS. Hij heeft in Servië gestudeerd aan de Universiteit van Belgrado, waar hij ook zijn onderzoeksloopbaan begon op de afdeling voor Atomaire Fysica. Hij promoveerde aan de Universiteit van Napels. In 2009 werd Radovic uitgenodigd om een gezamenlijke functie aan te nemen bij EPFL Lausanne en het PSI. Sinds 2013 is hij wetenschappelijk medewerker bij het PSI. (Foto: Paul Scherrer Instituut/Mahir Dzambegovic)

Milan Radovic en Eduardo Bonini Guedes (rechts) van de onderzoeksgroep Spectroscopie van Kwantummaterialen aan de Strahllijn SIS van de Zwitserse Lichtbron SLS. (Foto: Paul Scherrer Instituut/Mahir Dzambegovic) / Milan Radovic en Eduardo Bonini Guedes van de groep Spectroscopie van Kwantummaterialen aan de SIS-stralenlijn van de Zwitserse Lichtbron. (Foto: Paul Scherrer Instituut/Mahir Dzambegovic)

Nieuwe materialen zouden de computertechnologie kunnen revolutioneren. Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben door onderzoek met behulp van de Zwitserse synchrotron lichtbron SLS een belangrijke mijlpaal bereikt op weg daar naartoe.

Microchips bestaan uit silicium en werken volgens het fysieke principe van de halfgeleider. Daar is niets aan veranderd sinds de Amerikaanse Bell Labs in 1947 de transistor uitvond. Steeds weer voorspelden onderzoekers sindsdien het einde van het siliciumtijdperk – en ze hadden het mis. De siliciumtechniek leeft voort, ontwikkelt zich razendsnel. Zo heeft het IT-concern IBM onlangs de eerste microprocessor gepresenteerd, waarbij de transistorstructuren nog maar twee nanometer klein zijn, evenveel als 20 atomen naast elkaar. Wat komt daarna? Nog kleinere structuren? Waarschijnlijk ja – in ieder geval voor dit decennium.

Parallel daaraan krijgen ideeën vorm in de onderzoekslaboratoria voor een nieuwe technologie die alles op zijn kop zou kunnen zetten, wat we tot nu toe over micro-elektronica dachten te weten. Een van de opvallende voorbeelden hiervan levert het team van Milan Radovic. Vandaag presenteerde Milan Radovic van het Paul Scherrer Instituut in Communication Physics een opvallende onderzoeksresultaat over transparante oxiden (TO), dat de deur naar deze nieuwe technologie flink kan openen.

Nieuwe microchips

Radovic en zijn medestanders Muntaser Naamneh en Eduardo Guedes werken samen met de groep van Bharat Jalan van de University of Minnesota, USA, niet met silicium, maar met oxiden van overgangsmetalen (TMO). Ze tonen uitzonderlijke en multifunctionele fenomenen zoals hoogtemperatuur-supergeleiding, kolossale magnetorestrictieve effecten, metaal-isolator-overgangen en nog veel meer. Wat voor leken aanvankelijk verwarrend klinkt, belooft enorme vooruitgang voor de chiptechnologie van de toekomst.

In hun werk voor de huidige publicatie richten de onderzoekers zich op barium-tin-oxide (BaSnO3), dat optische transparantie combineert met hoge elektrische geleidbaarheid.

Al geruime tijd proberen onderzoekers oxiden van overgangsmetalen en vooral transparante oxiden zoals BaSnO3 en SrSnO3 halgeleereigenschappen te ontlokken. In vergelijking met silicium zou dat baanbrekende voordelen bieden voor opto-elektronische elementen: met deze transparante en geleidende zogenaamde perovskieten zouden schakelelementen mogelijk zijn, waarbij de elektronische eigenschappen direct gekoppeld zijn aan de optische eigenschappen. Hierdoor zouden transistors denkbaar worden die met licht kunnen worden geschakeld.

Weten over grenslagen is cruciaal

Alle microchips zijn opgebouwd uit combinaties van verschillende materialen. Voor hun werking is het belangrijk te weten wat zich afspeelt in de dunne grenslagen tussen deze materialen. Aan hun oppervlak hebben sommige materialen namelijk volkomen andere fysische eigenschappen dan in hun binnenkant. In werkelijkheid kunnen aan de grenzen van materialen exotische fasen van materie ontstaan – een inzicht waarvoor drie Britse natuurkundigen in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen. Het nu gepubliceerde artikel beschrijft aanzienlijke vorderingen in het begrip van de elektronische eigenschappen van het oppervlak van BaSnO3.

Hierbij werd gebruikgemaakt van hoekresolutie fotoemissiespectroscopie aan een straallijn van de Zwitserse synchrotron lichtbron SLS, «om de tweedimensionale elektronische toestand van BaSnO3 bloot te leggen, die nieuwe perspectieven opent voor deze materiaalklasse», benadrukt Eduardo Guedes.

Beste voorwaarden voor spectroscopie aan de SLS

Dat dit resultaat juist bij het PSI is behaald, is geen toeval. De onderzoekers beschikken bij het PSI over een laboratorium dat gespecialiseerd is in het maken, aanpassen en volledig onderzoeken van zulke dunne films. Bovendien biedt het PSI met zijn SLS de beste voorwaarden om stoffen met hoge lokale en temporele resolutie te doorlichten. Dergelijke spectroscopische methoden zijn een specialiteit van het Zwitserse onderzoekscentrum. Wereldwijd zijn er slechts drie locaties waar aan al deze voorwaarden tegelijk wordt voldaan. Daarnaast is de juiste kennis en een krachtige onderzoeksinfrastructuur nodig. «Bij het PSI combineren en bundelen we het begrip met de experimentele vaardigheden», aldus Radovic. De onderzoekers willen nu ontdekken welke andere stoffen vergelijkbare eigenschappen vertonen en potentiële kandidaten kunnen zijn voor optische microchips van de toekomst.

De siliciumtechnologie behoort daarmee echter niet tot het oude ijzeren, benadrukt Milan Radovic. Deze is hoogontwikkeld en krachtig. «Maar technologie op basis van oxiden van overgangsmetalen is krachtiger en veelzijdiger – haar tijd zal komen.»