Skip to ContentSkip to Navigation
founded in 1614  -  top 100 university

De kleinste schakelaars ooit

20 januari 2009

De kleinst voorstelbare mechanische schakelaar plus een elektronische schakelaar van een type dat nog nooit is vertoond. Zo vat fysicus Marius Trouwborst de resultaten samen van zijn promotie-onderzoek naar elektrische stroom door atomen en moleculen. ‘Het ultieme doel van nanotechnologie is het gebruik van moleculen voor elektronica,’ zegt hij. ‘Dat doel is nu een stapje dichterbij gekomen’.

De enorme opmars van de informatietechnologie is vooral te danken aan het steeds kleiner worden van de elektronische onderdelen van de computer. Kleiner betekent namelijk sneller en goedkoper. De afgelopen veertig jaar verdubbelde het aantal transistoren op een computerchip elke twee jaar. Over tien jaar echter, zo schat Trouwborst, is de limiet bereikt. Dan is een schaal bereikt waarop het principe van de transistor niet meer goed werkt.

Fundamenteel onderzoek

Als men na die tijd nog snellere computers wil maken, moeten er nieuwe methoden worden ontdekt. Een mogelijkheid is het gebruik maken van atomen en moleculen. Het fundamentele onderzoek van Trouwborst naar elektronentransport door individuele atomen en moleculen past in deze speurtocht.

Minuscuul

Trouwborst ontwikkelde tijdens het onderzoek een nieuwe methode om goudatomen zo te ordenen, dat daarmee een zeer kleine mechanische schakelaar kan worden gemaakt: slechts één enkel goudatoom vormt het contact. Bovendien kon Trouwborst vervolgens een elektronische schakelaar van hetzelfde minuscule formaat construeren.

Kauwgum

De methode werkt met een zogenaamde breekjunctie. Eerst wordt een gouddraadje vastgezet op een stripje buigzaam plastic. Als het buigen van de strip voorzichtig gebeurt, wordt de gouddraad net als kauwgum steeds verder opgerekt. Net voor het breken heeft de draad een diameter van slechts één goudatoom. Bij heel voorzichtig verder buigen (op nanoschaal) komen de uiteinden een heel klein stukje van elkaar af. De draad is dan in feite gebroken. Maar de breuk is niet definitief. Heel, héél voorzichtig terugbuigen en de uiteinden klikken weer aan elkaar vast.

Puntjes van één atoom

Trouwborst herhaalde dit heen en weer buigen veelvuldig en hij deed dat bovendien op een zeer gecontroleerde manier. Elk keer als de draad breekt, raken de atomen in de beide uiteinden anders gerangschikt. Trouwborst ontdekte dat die ordening steeds regelmatiger wordt. Uiteindelijk zien de puntjes eruit als netjes gestapelde piramides van biljartballen met aan de uiterste punt één atoom. ‘Door de twee uiteinden over een afstand van 0,1 nanometer heen en weer te bewegen kan de schakelaar aan en uit worden gezet,’ zegt Trouwborst.

Gevangen molecuul

Het mooie van het systeem is dat men vervolgens een molecuul kan “vangen” tussen de uiteinden. Dat is handig voor het bestuderen van de elektronische eigenschappen van dit molecuul. Als elektrische spanning op de uiteinden wordt gezet, gaat alle elektronentransport door het ene molecuul in het midden.
In zijn onderzoek deed Trouwborst dit met waterstofmoleculen. Bij het opvoeren van de spanning gaat het waterstofmolecuul trillen tussen de uiteinden van de gouddraadjes. Trouwborst ontdekte dat de weerstand dan plotseling anders wordt, die springt als het ware een treedje omlaag . ‘Men kan het systeem dus aan- en uitschakelen simpelweg door de moleculen te laten trillen of niet,’ zegt Trouwborst. ‘Zo’n type schakelaar is nooit eerder vertoond.’

Oorzaak onbekend

Overigens geldt dat de precieze oorzaak van het schakelgedrag nog onbekend is. Trouwborst vermoedt dat het te maken heeft met een fase-overgang. Er is nog veel onderzoek nodig voordat de schakelaars toegepast kunnen worden. ‘Wel is het duidelijk,’ zegt Trouwborst, ‘dat dit nieuw inzicht geeft op weg naar het gebruik van moleculen als functionele bouwelementen voor de elektronica van de toekomst.’

Curriculum vitae

Marius Trouwborst (Woerden, 1977) promoveert op 30 januari 2009 aan de Rijksuniversiteit Groningen op het proefschrift Electron transport through single gold atoms and hydrogen molecules, switching on the atomic scale. Het onderzoek is verricht aan het Zernike Institute of Advanced Materials van de RUG en gefinancierd met een NWO-pioniersbeurs. Promotors zijn prof. dr. ir. B.J. van Wees en prof. dr. B.L. Feringa. Trouwborst is na het afronden van het onderzoek gaan werken bij IBM Zürich Research Laboratory (Zwitserland).

Mechanische schakelaar. De geleiding (omgekeerde van de weerstand) staat uit tegen de afstand. Door het contact minder dan 0,1 nm te bewegen, springt het draadje in en uit contact.
Mechanische schakelaar. De geleiding (omgekeerde van de weerstand) staat uit tegen de afstand. Door het contact minder dan 0,1 nm te bewegen, springt het draadje in en uit contact.
Waterstofschakelaar. Onder: beeld van een gouddraadje als gebruikt in het onderzoek, gemaakt met een elektronenmicroscoop. Boven een schets van een waterstofmolecuul tussen twee gouddraadjes.
Waterstofschakelaar. Onder: beeld van een gouddraadje als gebruikt in het onderzoek, gemaakt met een elektronenmicroscoop. Boven een schets van een waterstofmolecuul tussen twee gouddraadjes.
De waterstofschakelaar. Boven is de spanning weergegeven die tussen de twee draadjes staat. Wanneer nu de spanning plotseling wordt verhoogd of verlaagd, gaan de moleculen trillen en verandert de weerstand van het draadje (onder).
De waterstofschakelaar. Boven is de spanning weergegeven die tussen de twee draadjes staat. Wanneer nu de spanning plotseling wordt verhoogd of verlaagd, gaan de moleculen trillen en verandert de weerstand van het draadje (onder).
Laatst gewijzigd:11 oktober 2016 13:38

Meer nieuws

  • 07 december 2016Uitreiking Nobelprijs aan Ben Feringa

    Op zaterdag 10 december zal professor Ben Feringa de Nobelprijs voor de Scheikunde in ontvangst nemen. De uitreiking vindt plaats in Stockholm, Zweden, en wordt live gestreamd via de RUG-website. Op 10 december vanaf 16.30 uur zal er een link naar de...

  • 07 december 2016'Broerstraat 5 Special' over Nobelprijswinnaar Ben Feringa

    Drie dagen voordat Ben Feringa in Stockholm de Nobelprijs voor Scheikunde in ontvangst neemt, brengt de Rijksuniversiteit Groningen een speciale editie van Broerstraat 5 over hem uit. In deze uitgave van het magazine voor alumni en relaties van de RUG...

  • 06 december 2016Nieuwe app zorgt voor logopedische zorg op afstand én op maat

    Patiënten met spraakapraxie kunnen straks thuis aan de slag met oefeningen die de logopedist speciaal voor hen klaarzet. Dat kan met de voor Nederland unieke app, die door het UMCG Centrum voor Revalidatie samen met ICT- bedrijf Wild Sea is ontwikkeld...