Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Silicium dat licht uitzendt, maakt de weg vrij voor fotonische chips. Eindhovense onderzoekers zijn nu een stapje verder in deze ontwikkeling.
Films kijken, mailen, shoppen, hardlopen: voor veel alledaagse dingen gebruiken we tegenwoordig internet. En dit dataverkeer groeit ieder jaar. Bij de overdracht van deze data spelen elektronische chips een grote rol. Maar dit heeft een nadeel: als je werkt met elektriciteit heb je altijd te maken met energieverlies.
De elektronen bewegen namelijk door de koperen draadjes van de chips – die de vele transistors met elkaar verbinden – en ondervinden daarbij weerstand. Energie gaat hierdoor verloren in de vorm van warmte. Maar hoewel computers en chips in onze hoofden onlosmakelijk zijn verbonden met elektronica, is er ook een alternatief: fotonica. Daarin zijn het geen elektronen die informatie overbrengen van A naar B, maar lichtdeeltjes (fotonen). Hierbij wordt geen weerstand geproduceerd. Bovendien zou de snelheid van het dataverkeer verhoogd worden door fotonica.
Lees ook:
Siliciumlaser
Om fotonen door de draadjes te schieten, heb je een geïntegreerde laser nodig. Maar het belangrijkste halfgeleidermateriaal van een chip, silicium, is extreem slecht in het uitzenden van licht. Lange tijd werd dan ook gedacht dat het materiaal geen rol kon spelen bij fotonica. Toch zijn onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven, onder leiding van Erik Bakkers, erin geslaagd een legering met silicium te ontwikkelen die licht kan uitzenden.
Samen met wetenschappers van Duitse en Oostenrijkse universiteit combineerden ze silicium en germanium, eveneens een halfgeleider, in een zeshoekige kristalstructuur die licht kan uitstralen. Om hiertoe te komen, lieten ze allereerst nanodraden groeien van een ander materiaal, met een zeshoekige kristalstructuur (zie foto.) Vervolgens voegden ze hier silicium- en germaniumatomen aan toe. “Door de siliciumatomen op het zeshoekige sjabloon te laten groeien, wisten we te realiseren dat deze ook in dezelfde zeshoekige kristalstructuur groeiden”, laat onderzoeker Elham Fadaly weten.
Dit trucje pasten de onderzoekers overigens in 2015 al toe, maar toen slaagden ze er niet in het zeshoekige silicium te laten shinen. Door het aantal onzuiverheden en kristalgebreken te verminderen, was dat nu wel het geval. De experimenten toonden volgens het team aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het zou zeer efficiënt licht uitstralen. De onderzoekers zijn nu dan ook bezig een siliciumlaser te maken om in de chips te integreren.
In ieder huishouden
Datacenters zouden vooral profiteren van fotonische chips. Sneller dataverkeer en minder energieverbruik is natuurlijk meer dan welkom daar. Maar de onderzoekers spreken in hun persbericht over meerdere toepassingen: een radar met laser voor zelfrijdende auto’s bijvoorbeeld en chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van de lucht- en voedselkwaliteit.
Nick Schilder, onderzoeker bij het centrum voor nanofotonica op AMOLF, is erg enthousiast over de studie. Hij laat desgewenst weten: “Hoewel er al veel efficiënte miniatuur lichtbronnen bestaan, ontbreekt er nog een efficiënte lichtbron die verenigbaar is met silicium technologie. Het onderzoek van de groep van Erik Bakkers biedt hierin perspectief.”
Schilder vervolgt: “Mogelijk zijn wij hier getuigen van de ontwikkeling van het materiaal dat we, in geïntegreerde vorm, ooit in alle huishoudens zullen gaan terugvinden. Zoals de onderzoekers aangeven in hun artikel is verder onderzoek nodig om de lichtbron daadwerkelijk te kunnen plaatsen op een conventionele chip, maar de eerste, veelbelovende, grote stap is gezet!”
Bronnen: Nature, TU Eindhoven via EurekAlert!
Beeld: Nando Harmsen, TU/e