Elektronici houden van diamant

De huidige elektronica laat het afweten als ze wordt blootgesteld aan hoge temperaturen. Onderzoekers kijken daarom vol belangstelling naar een materiaal dat ook bij duizend graden Celsius standhoudt....

CHRISTIAN JONGENEEL

DE hedendaagse auto is een computer op wielen. Er is geen onderdeel of er zit wel een stukje elektronica in. Slechts één component houdt dapper stand als niet-elektronisch onderdeel: de motor. In de verbrandingskamer is het zo heet dat computerchips van silicium er de brui aan geven.

Er zijn meer industrieën die tegen de grenzen van de elektronica opbotsen. Oliemaatschappijen, bijvoorbeeld. Doordat de toegankelijke bronnen vlak onder de aardkost leegraken, zijn die concerns gedwongen steeds dieper te boren. In die diepe putten is het zo warm dat de sensoren die de oliespeurders erin laten afzakken, het gauw laten afweten. En er zijn meer hete processen waar men graag elektronica in zou stoppen: kernreactoren, chemische installaties, aardwarmtecentrales en schoorsteenpijpen van verbrandingsinstallaties.

De bestaande elektronica, gebaseerd op silicium, is daarvoor niet geschikt. Niet dat chips smelten (dat gebeurt pas bij 1400 graden Celsius), maar vanaf een graad of 150 beginnen ze kuren te vertonen. Dat heeft direct met de aard van deze onderdeeltjes te maken.

Een chip is in feite een plak silicium met kanaaltjes en sluizen erop, waar elektronen doorheen gaan. De geometrie van de sluizen en kanalen bepaalt wat de chip doet. Maar de chipsindustrie miniaturiseert: de kanalen op de chips - en de dijkjes tussen die kanalen - worden steeds smaller en daardoor kwetsbaarder. Bij hoge temperaturen ontstaan dijkdoorbraken, 'lekstromen' in het jargon van de elektronici. Van ordentelijk verkeer is dan geen sprake meer - de chip is kapot.

Momenteel behelpt de industrie zich met 'dijkverzwaringen', robuuste silicium chips die het uithouden tot pakweg 250 graden, waarmee de uiterste grens zo'n beetje is bereikt. Zulke chips blijven echter onbruikbaar voor toepassing in bijvoorbeeld auto's. Want in het hart van een automotor zijn temperaturen van duizend graden geen uitzondering.

De remedie: dijkjes van steviger materiaal. Met galliumarsenide en siliciumcarbide zijn al aardige resultaten behaald, maar onderzoekers in Duisland, Engeland en de VS kijken steeds serieuzer naar een materiaal dat meer tot de verbeelding spreekt: diamant. Diamant is sterk, hittebestendig, roestvrij, doorzichtig en wat betreft elektronische eigenschappen eigenlijk beter dan silicium. Kortom, het ideale materiaal.

Diamant is echter ook buitengewoon weerbarstig. Het bestaat uit een zeer compact rooster van koolstofatomen, dat normaal gesproken alleen onder hoge druk ontstaat. En aan opgegraven klompjes diamant heeft de elektronicus niets, plakjes moet hij hebben.

Die kunnen bovengronds geproduceerd worden, en wel uit methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas. Een molecuul methaan bestaat uit een koolstofatoom omringd door vier waterstofatomen.

De fabricage vindt plaats in een soort magnetron met een zeer hoog vermogen, met daarin een hete plak silicium en een mengsel van methaan en niet gebonden waterstof. De microgolven en de 'vrije' waterstof slaan de waterstof die aan de koolstof vastzit, daarvan los. De vrijgemaakte koolstof klontert vast op het silicium, zodat een dunne film van diamant ontstaat.

De vrij ruwe diamantlaagjes zijn voor van alles en nog wat geschikt. Je kunt bijvoorbeeld zo'n laagje laten groeien op een boorkop, die daarmee stukken langer meegaat. Een diamantlaagje op een spiegel maakt deze krasvrij. Die laatste toepassing zou de droom zijn geweest van de schurk uit de James Bond-film Diamonds are forever. Hij moest een schotel van echte diamanten de ruimte in schieten om een laserbundel op Washington te kunnen richten.

Universitaire onderzoekers dromen eerder van diamanten chips dan van wereldheerschappij. Let wel: dromen. Want voorlopig is de diamantchip nog geen werkelijkheid. Er is een groot verschil tussen een filmpje van diamant maken en een ingewikkeld stelsel van sluizen en kanalen met breedtes van enkele duizendsten millimeters.

Hier keert zich de hardheid van diamant zich tegen de makers: zit een koolstofatoom eenmaal in het rooster, dan laat het zich nauwelijks meer wegbikken. En dat is nu juist de manier waarop silicium chips gemaakt worden. Uit de egale plak worden met zuur en uv-licht de kanaaltjes uitgebaggerd.

Dat werkt nauwelijks bij diamant. Alleen zeer agressieve methodes, zoals een bombardement met laserlicht, zijn in staat diamant te bewerken. Daarom wordt doorgaans de omgekeerde weg bewandeld: patronen worden niet achteraf aangebracht, maar al tijdens het neerslaan van de plak koolstof in de magnetron, namelijk door de schijf op de ene plek sneller te laten groeien dan elders.

Dat lukt de laatste jaren steeds beter. Een eenvoudig zebra-patroon aanbrengen kost al weinig moeite meer. Dit jaar verschenen de eerste diamanten schakelingen op het toneel. Een chip bevat daar miljoenen van, dus er is nog een lange weg te gaan. In feite bevindt diamant zich nu waar silicium in 1960 was.

Desondanks zijn diamantonderzoekers alvast lyrisch over de mogelijkheden van hun speeltje. Diamant zou zelfs het ideale materiaal zijn om platte beeldschermen van superieure kwaliteit te fabriceren.

Voordat diamant een hoofdrol op de chip mag vertolken, moet het echter een ondankbare bijrol aanvaarden. Diamant is namelijk al wel degelijk gesignaleerd op chips, als afvoerputje voor overbodige warmte. Die taak heeft het harde edelsteen te danken aan alweer een andere sterke eigenschap: goede hittegeleiding. De koolstofatomen in het rooster van diamant zijn zo georganiseerd dat ze warmte snel afvoeren.

Daaraan is behoefte, want de miniaturisatie van silicium chips leidt ertoe dat ze steeds meer warmte per vierkante millimeter produceren. De ventilatoren in de huidige pc's kunnen het nauwelijks bolwerken. Een laagje diamant als ondergrond voor silicium kanalen en sluizen kan een perfecte warmteafvoer tot stand brengen.

Het zal nog zeker tien jaar duren voordat de eerste volwaardige diamantchip op de markt komt. Maar daarna zal het lastig zijn een nog aantrekkelijker materiaal te vinden, want diamant staat sterk. Voor altijd.

Christian Jongeneel

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden