'Er is een revolutie op komst', zegt ingenieur Marc Heyns van het Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) in Leuven. 'Alleen weten we nog niet precies hoe die eruit zal zien. Maar we voelen dat nanotechnologie vanaf de zijlijn andere technologieën zal binnendringen. Het is afwachten wat dat zal geven, maar het is wel spannend.'
...

'Er is een revolutie op komst', zegt ingenieur Marc Heyns van het Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) in Leuven. 'Alleen weten we nog niet precies hoe die eruit zal zien. Maar we voelen dat nanotechnologie vanaf de zijlijn andere technologieën zal binnendringen. Het is afwachten wat dat zal geven, maar het is wel spannend.' Nanotechnologie is een logische consequentie van de micro-elektronica die ons draagbare computers en heldere, dunne televisieschermen bezorgde, naast talloze andere huis- en tuinapparatuur die het leven van de mens in onze contreien beduidend comfortabeler maakt. Met nanotechnologie zal alles nóg handiger worden, want de basiscomponenten zullen nog kleiner zijn. Ook in de chemische sector en de geneeskunde zal de nieuwe technologie haar rol spelen. Op de cv's van mensen zoals Heyns nemen octrooien de plaats in van publicaties in wetenschappelijke topvakbladen. Heyns draait al vanaf het begin mee met IMEC: 'Ik heb nooit de behoefte gevoeld om buitenshuis iets te gaan zoeken. Zeker die eerste jaren waren uitermate plezierig: iets opbouwen van nul af aan, bij bedrijven gaan uitleggen wat we van plan waren te doen. Ik heb hier een fantastische tijd meegemaakt.' MARC HEYNS: Helemaal niet. Ik wilde altijd al begrijpen hoe de dingen werken, maar ik ben geen knutselaar, zelfs nu niet. Ik ben een onderzoeker die vragen stelt naar het waarom van de dingen, maar ik maak niets zelf. HEYNS:(lachend) Misschien ben ik wel een mislukte ingenieur. Ik ben zo onhandig dat niemand me thuis zal vragen om een klusje op te knappen. HEYNS:(nog steeds lachend) Ik denk niet dat dit voor publicatie vatbaar is. HEYNS: De toepassingen spreken me erg aan. Dat is ook het grote verschil tussen de universiteit en een centrum als IMEC: je hebt de garantie dat je weet waartoe je werk leidt, dat er iets bruikbaars uitkomt. HEYNS: De laatste jaren steeds meer. De micro-elektronica volgde altijd een duidelijke roadmap, een kaart die goed toonde waar we naartoe gingen, wat we moesten doen om verder te ontwikkelen. Eigenlijk was dat het werken aan systemen waarmee we nóg kleinere onderdelen konden produceren. Nu komen we stilaan op een punt waarop het niet meer duidelijk is hoe het verder moet. De vraag is wat er na de roadmap komt? Daar hebben we nieuwe technologie voor nodig, en dat is een kwestie van creativiteit. HEYNS: We zijn op zoek naar mogelijkheden om silicium op onze chips te vervangen door nieuwe materialen als germanium of grafeen. We moeten iets nieuws bedenken voor de klassieke siliciumoxidestructuren als basis voor onze chips. HEYNS: Vanaf een bepaald minimumniveau verbetert de performantie van transistoren niet meer met het verkleinen van de structuren. Om nóg snellere schakelingen te kunnen maken, moeten we gaan werken met materialen waarvan de ladingdragers een hogere mobiliteit hebben. We willen ook transistoren maken die op een lagere spanning werken, zodat ze minder vermogen verbruiken. Het vermogen in processors wordt te hoog. HEYNS: Inderdaad. Het dynamisch vermogenverbruik is wat een chip nodig heeft als hij werkt, dat is dus wat je wilt spenderen. Maar daarbovenop komt het statisch vermogenverbruik van een schakeling die niets doet, en dat is de laatste jaren sterk toegenomen. We zitten nu met een voedingsspanning van 1 volt, en die willen we verlagen tot ongeveer een kwart volt. Op die manier zullen we het vermogensverbruik doen afnemen, en nog dichtere schakelingen kunnen maken. HEYNS: Er zijn twee soorten transistoren: met elektronen als ladingdragers en met gaten. Germanium heeft een hogere mobiliteit voor gaten dan silicium, dus in principe kun je er snellere transistoren mee maken, want zo'n gat zal zich sneller door het materiaal verplaatsen. Het nadeel is dat je het oppervlak van je materiaal moet kunnen pacificeren, anders kun je er niet mee werken. Met silicium gaat dat goed. Veel van ons onderzoek spitst zich nu toe op het maken van een mooi oppervlak voor materialen als germanium. HEYNS: Toen ik in 1986 mijn doctoraalscriptie maakte, werkten we met siliciumdioxidelagen van 100 nanometer (nm) dikte. Nu is dat minder dan 1 nm. HEYNS: Daar denk ik nog niet echt aan, maar ik geloof dat de technologie nog verder kan. We hebben de voorbije twintig jaar al zo dikwijls gehoord dat we een niet te nemen grens naderden, maar we zijn er altijd voorbij geraakt. De beroemde fysicus Richard Feynman zei ooit: there is plenty of room at the bottom. Ik denk dat we de bodem nog lang niet bereikt hebben. HEYNS: We zitten nu bijna op het niveau van de atomen, maar voor we daar echt mee kunnen spelen, zal ik effectief met pensioen zijn. We kunnen al schakelingen maken met moleculen, voor geheugenfuncties bijvoorbeeld, maar het is nog niet duidelijk hoe die in productie kunnen worden gebracht. HEYNS: Geheugen wordt een steeds belangrijker toepassing. Je kunt nooit genoeg geheugen hebben voor apparaten als fototoestellen en mp3-spelers, of om de huidige harde schijven in computers door iets nieuws te vervangen. Steeds meer gaat het om geheugen en niet om microprocessoren. Waarbij de vragen over betrouwbaarheid belangrijker worden. Het zou jammer zijn dat je foto's zouden verdwijnen op het ogenblik dat je je fototoestel afzet. HEYNS: Het impliceert vooral dat er gewerkt moet worden met andere materialen. HEYNS: Dat hangt ervan af hoe je het bekijkt. In feite is de halfgeleiderindustrie met germanium begonnen. De eerste transistor in 1947 was van germanium, de eerste geïntegreerde schakeling ook. Het probleem met germanium was dat het geen stabiel oxide heeft, zodat er minder gemakkelijk mee te werken viel. Het was ook minder beschikbaar. Destijds was het via Union Minière vooral in Belgische handen, maar dat is een ander verhaal. HEYNS: Het zal u misschien verbazen, maar de micro-elektronica produceert al tien jaar doorlopend nanotechnologie. Daar-over bestaat een groot misverstand. We zijn op het einde van het vorige millennium al beneden de 100 nm kanaallengte gegaan, en daar ligt de grens, daar begint de wereld van de nanotechnologie. De chips van Intel en soortgenoten zitten nu in de grootteorde van 45 nm met kanaallengtes van 35 nm. HEYNS: Vele dingen waarover in de media nu druk wordt gespeculeerd, zijn voor ons al te groot. Deeltjes van 20 nm zijn voor ons reusachtig groot. Zogenaamde nanodraden van 100 nm zijn groot als je transistoren van 35 nm maakt. Wij willen naar 10 nm en kleiner. De kostprijs is de belangrijkste drijfveer in de micro-elektronica. Hoe kleiner de schakelingen, hoe goedkoper de producten. De nanowereld met deeltjes en draden werkt typisch bottom-up: je laat dingen groeien in nanodimensies. Wij werken meestal top-down, we maken een lithografische laag en etsen daarop onze structuren in nanodimensies. Dat is een heel andere aanpak, zodat het niet onbegrijpelijk is dat er verwarring bestaat. HEYNS: De klassieke fysica gaat met nanotechnologie natuurlijk steeds meer over in de kwantumfysica. Wat onder meer betekent dat je met probabiliteiten werkt. Dat is vooral een probleem voor de mensen die volledige schakelingen ontwikkelen, want die moeten er rekening mee houden dat twee transistoren niet meer op identiek dezelfde manier zullen werken, en dat kost extra vermogen. In IMEC gaan groepen na hoe je met variabele transistoren toch nog schakelingen kunt maken die héél energie-efficiënt functioneren. HEYNS: Dat is een van de problemen. De densiteit van vermogen gaat bovendien heel sterk omhoog, zodat een chip op den duur opbrandt, want hij produceert te veel energie. Dat kan natuurlijk niet. HEYNS: Dat is de uitdaging van de nieuwe ontwikkelingen: werken met lage vermogens. Dat vereist een heel nieuw ontwerp. HEYNS: We gaan twee richtingen uit. Enerzijds zullen we nieuwe basisstructuren maken, zoals ontwerpen op basis van germanium en zogenaamde III/V-materialen als indiumgalliumarsenide. Anderzijds zullen we extra functies geven aan transistoren en schakelingen door er bijvoorbeeld sensoren en biosensoren bovenop te zetten. HEYNS: Weinig mensen weten het, maar er zijn er al vrij veel. In de Verenigde Staten zijn er 300 producten met nanotechnologie geregistreerd. Daar zijn veel verzorgingsproducten bij, want een groot deel van de octrooien in de sector hebben betrekking op crèmes en tandpasta's. Ook in verf en coatings zitten nanodeeltjes. Binnenkort komt er een boom van koolstofnanobuisjes. HEYNS: Er zitten allang nanodeeltjes in tandpasta, maar pas sinds kort wordt de aandacht daarop gevestigd, omdat nanotechnologie een verkoopargument is geworden. Een bedrijf als BASF maakt al jaren tonnen nanodeeltjes. Vroeger kon men die deeltjes wel niet precies meten. Onze meettechnologie is er sterk op vooruitgegaan. HEYNS: Soms gebruikte men inderdaad dingen waarvan men niet goed wist wat ze precies waren. Een voorbeeld daarvan is iets waar wij ons nu ook over buigen: grafeen. Dat is een enkele laag van geordend koolstof. Het zal zeker al op allerhande plaatsen voorgekomen zijn, zonder dat we ons er bewust van waren, maar het wordt pas sinds kort grondig onderzocht. In onze sector is het nu een hype. HEYNS: Inderdaad. Het grote voordeel is de enorm hoge mobiliteit van zijn ladingdragers, zowel elektronen als gaten. De koolstofatomen zitten in een mooi rooster, waarboven een vrij elektron hangt, dat die grote mobiliteit mogelijk maakt. Het probleem met grafeen is het productieproces. Dat is momenteel nog een heel ambachtelijke bezigheid, met tape en zo. HEYNS: Om grafeen te verkrijgen, schrapen we met een scheermesje stukjes grafiet af die op een kleefband vallen. Die vouwen we ononderbroken open en dicht in de hoop dat er zo een stukje grafeen gemaakt wordt. Daar schrijf je dan een publicatie in een wetenschappelijk topvakblad over. Hightech kan soms extreem lowtech beginnen. HEYNS: Het is nog niet op een gecontroleerde manier in grote hoeveelheden te maken. Je zult op eBay niets vinden dat op basis van grafeen is gemaakt. HEYNS: Men hoopt er in eerste instantie het probleem van de koolstofbuisjes mee op te lossen. Die bestaan in feite uit een opgerolde grafeenlaag. We dachten lang dat koolstofbuisjes een goed materiaal waren om er een nieuwe generatie transistoren van te maken, maar de manier waarop ze opgerold zijn, blijkt hun eigenschappen te bepalen: ofwel zijn ze halfgeleidend, ofwel metallisch. En dat is moeilijk te controleren. De eerste toepassingen zullen misschien sensoren zijn, want de vrije elektronen boven de grafeenlaag zullen heel gevoelig zijn voor wat er in de omgeving gebeurt. HEYNS: Op IMEC hebben we heel strenge veiligheidsregels voor het werken met nanodeeltjes, omdat veel effecten ervan nog onbekend zijn. Maar zodra ze vastgebonden zijn aan een oppervlak, is er in principe geen gevaar meer aan verbonden. HEYNS: In de vakliteratuur wordt erover gespeculeerd of koolstofbuisjes hetzelfde effect kunnen hebben als asbestvezels, want ze lijken er wat op. Maar nogmaals, zodra ze vastgemaakt zijn, krijg je ze niet meer los en verdwijnen de risico's. Het is vooral in het productieproces dat je er voorzichtig mee moet zijn. HEYNS: Het is héél moeilijk om aan mensen uit te leggen wat nanotechnologie precies is, omdat de schaal zo klein is. Ze zien de deeltjes niet, en hun tandpasta met nanodeeltjes ziet er exact hetzelfde uit als andere tandpasta. HEYNS: Ik weet niet of dat realistisch is. Kleine deeltjes worden minder stabiel en hebben de neiging samen te klonteren tot grotere deeltjes. Zelfs in een oplossing heb je veel moeite om ze als afzonderlijke deeltjes te bewaren. De praktische ervaring leert dat je heel weinig kans hebt om nanodeeltjes in vrije toestand te verkrijgen. HEYNS: Het economische. De technologie gaat niet stoppen omdat we geen oplossingen meer vinden, wel omdat die oplossingen niet meer betaalbaar zijn. We worden altijd gedreven door economie. De snelheid van passagiersvliegtuigen in functie van de tijd was een mooie rechte lijn, waarop de Concorde perfect paste, maar hij was te duur en werd economisch een ramp. In de micro-elektronica vlakt die curve nu af. Je ziet dat het aantal spelers op de markt kleiner wordt, omdat het bedrag dat nodig is om iets nieuws te maken steeds groter wordt, en het risico dat je je geld daardoor niet terugverdient ook. HEYNS: Zelfassemblage is niet meer dan een droom. Het zal nog lang duren voor we zover zijn. Als we ooit al zover raken. We moeten de mensen daar nog niet zenuwachtig over maken. HEYNS: Nee. Technologie heeft in de loop van de eeuwen altijd een cyclisch effect op mensen gehad. Soms denkt men: de technologie zal alles oplossen. Tien jaar later is men er weer van overtuigd dat de technologie de apocalyps zal teweegbrengen. Nu zitten we op een schakelmoment, omdat mensen hopen dat technologie het energieprobleem zal oplossen. Dure tankbeurten verhogen de verwachtingen van mensen in de wetenschap. HEYNS: Terecht. Micro-elektronica is heel milieuvriendelijk. Als uw wagen nu een stuk minder verbruikt dan tien jaar geleden, is dat aan micro-elektronica te danken. Nanotechnologie zal daar nog verder in gaan. De batterijen van waterstofauto's, bijvoorbeeld, zitten vol nanotechnologie voor de opslag van waterstof. Ook andere batterijen en zonnecellen zullen een efficiëntere opslag van energie hebben dankzij nanotechnologie. HEYNS: Dat is begonnen met het beperken van de hoeveelheid chemicaliën en afvalwater bij de klassieke productieprocessen van chips. Die moesten de strijd tegen onzuiverheden in onze materialen efficiënter maken, want de minste onzuiverheid kan de performantie van een schakeling sterk hinderen. Wij ontwikkelden productieprocessen die duizendmaal minder chemicaliën en water nodig hadden dan voorheen. HEYNS:(na enig denkwerk) Daar heb ik nooit over nagedacht. Als wetenschapper kijk je in feite nooit achteruit. Wat je begrijpt, interesseert je niet meer, want je bent al bezig met de volgende uitdaging. Je kijkt altijd vooruit. Je grootste realisatie is wat je morgen gaat doen. Je kunt meestal niet wachten om ermee te beginnen. HEYNS: Chiptechnologie zit overal. Maar wij zitten op de interface tussen onderzoek en productie - dat is het unieke aan IMEC. Wij ontwikkelen technologie in samenwerking met partners die daar producten van maken. IMEC vormt echt een brug tussen de universitaire wereld met haar ideeën en de industrie met haar wil om er iets van te maken. HEYNS: Het probleem is dat wij geen producten maken die we aan de mensen kunnen tonen, zodat het moeilijk te zeggen is wat we precies doen. Toch is het belangrijk dat we ons profileren, want het is cruciaal dat we goede mensen blijven aantrekken. HEYNS: Om eerlijk te zijn wel. Wetenschap is geen beroep, het is wat je bent. Een goede wetenschapper heeft automatisch een vanzelfsprekende passie voor wat hij doet. Je voelt dat zelfs aan studenten. Het is belangrijk mensen geïnteresseerd te maken in wetenschap, en het is goed hun enthousiasme te zien opborrelen. Mede daarom is het zo fantastisch werken in de wetenschap. DOOR DIRK DRAULANS