Semiconductor technology & processing

5 min

Gezamenlijke Europese inspanning om het potentieel van grafeen te ontsluiten

Imec neemt deel aan het Graphene Flagship, een van de Europese ‘Future and Emerging Technology Flagships’, om het ‘wondermateriaal grafeen’ en aanverwante gelaagde materialen van het universiteitslab naar toepassingen voor elke dag te brengen. 

Scroll

Best of 2016 / Editie oktober 2016

In oktober 2014 trad imec toe tot het Graphene Flagship, een van de Europese ‘Future and Emerging Technology Flagships’, om het ‘wondermateriaal grafeen’ en aanverwante gelaagde materialen van het universiteitslab naar toepassingen voor elke dag te brengen. In het kader van dit initiatief van 1 miljard euro coördineert Cedric Huyghebaert van imec de activiteiten om grafeen op waferniveau te integreren. In dit artikel heeft hij het over het grensverleggende potentieel van grafeen, de uitdagingen die commercialisatie stelt en hoe het is om te werken in de context van een Europees Flagship-project.

Het Graphene Flagship

In 2013 lanceerde Europa een nieuw initiatief: het Graphene Flagship. Samen met het Human Brain Project is dit een van de eerste Future and Emerging Technology (FET) Flagships van de Europese Commissie. Deze projecten hebben tot doel om de grote wetenschappelijke en technologische uitdagingen van onze tijd aan te gaan met multidisciplinair onderzoek en ontwikkeling op lange termijn. 

Cedric Huyghebaert: “Een Flagship financiert onderzoek op langere termijn – gemiddeld met een looptijd van 10 jaar – en wil de resultaten ervan vertalen naar industrie en samenleving. Dergelijke ‘vlaggenschepen’ worden opgezet in domeinen waarin Europa een leidende rol vervult of toch minstens sterk staat. Grafeen werd oorspronkelijk vervaardigd en getest in Europa: André Geim en Konstantin Novoselov van de universiteit van Manchester ontvingen er in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor.”

Imec trad in oktober 2010 toe tot het Graphene Flagship. Cedric Huyghebaert: “Oorspronkelijk waren de partners van het Flagship voornamelijk universiteiten en onderzoeksinstituten. Na een nieuwe oproep tot deelnemers in 2014 werd het aandeel van (vooral kleine en middelgrote) bedrijven flink groter. Dit toont de toegenomen belangstelling van de economische spelers voor grafeen aan en weerspiegelt de uiteindelijke doelstelling van het project: wetenschappelijk onderzoek omzetten in marktrijpe producten, die op hun beurt moeten zorgen voor economische groei, nieuwe banen en nieuwe opportuniteiten.” 

Momenteel zijn meer dan 150 academische en industriële partners uit meer dan 20 landen bij het Flagship betrokken. Met een budget van 1 miljard euro – gedeeltelijk afkomstig van nationale financieringsagentschappen – over een periode van 10 jaar is het Graphene Flagship het grootste Europese onderzoeksinitiatief ooit. Het wordt gecoördineerd door de Chalmers University of Technology (Zweden). 

Wondermateriaal

Het Flagship is volledig gewijd aan grafeen, een kristallijne monolaag van koolstofatomen die gerangschikt zijn in een rooster met de vorm van een hexagonale honingraat. Grafeen is een fantastische elektronische en thermische geleider. Het heeft een ongeëvenaarde thermische geleidbaarheid, een heel hoge intrinsieke mobiliteit, een hoge stroomdichtheid en een lange gemiddelde vrije weglengte van elektronen. Het oppervlak van grafeen is chemisch inert, het heeft een lage oppervlakte-energie en geen losse bindingen (of dangling bonds). Bovendien is dit 2D-kristal soepel en transparant en is dit het sterkste materiaal dat de mens kent. In één woord: een wondermateriaal … Precies deze veelbelovende eigenschappen scheppen kansen in heel gevarieerde domeinen.

Cedric Huyghebaert: “Grafeen kan dienen om composietmaterialen of coatings te versterken of lichter te maken, denk aan toepassingen in fietsen of vliegtuigvleugels. Het biedt ook mogelijkheden voor energieopslag of zonnepanelen, waarvoor het als een alternatieve (transparante) elektrode inzetbaar is. Onderzoekers gaan ook de mogelijkheden van dit materiaal na voor flexibele elektronica. En bij de chipproductie zou grafeen koper in interconnects kunnen vervangen. Bij biomedische toepassingen is de biocompatibiliteit van het materiaal een belangrijk voordeel, waardoor het geschikt is als sondemateriaal. Het kan mogelijk ook gebruikt worden voor biosensortoepassingen, dankzij zijn capaciteit om verschillende atomen en moleculen te adsorberen en te desorberen. En ten slotte vindt grafeen zijn weg naar toepassingen in de fotonica en opto-elektronica die licht gebruiken om grote hoeveelheden data te transporteren. Grafeen blijkt digitale signalen heel gunstig in lichtmodulatie om te zetten. Het biedt ook een snel aanpasbare absorptie over een breed spectraal bereik en het dient zich aan als een eenvoudige structuur met slechts één geïntegreerde laag.”

Al deze mogelijke toepassingen worden binnen het Graphene Flagship georganiseerd en onderzocht in diverse werkpakketten, die zich bijvoorbeeld toeleggen op onderzoek en innovaties. Daarnaast besteedt het Flagship ook aandacht aan de impact van de technologie op de gezondheid en het milieu. Sinds de lancering van het project werd het actieterrein uitgebreid naar andere 2D-materialen, zoals 2D-kristallen of combinaties ervan in Van der Waals-heterostructuren. 

Integratie op waferniveau

Samen met het Italiaanse CNIT heeft imec de leiding over het werkpakket rond integratie op waferniveau. Dit werkpakket is gericht op de transitie van het lab naar de technologie van microfabricage op waferniveau. Cedric Huyghebaert: “Veel grafeenconcepten werden met succes aangetoond. Maar de meeste demonstraties bleven beperkt tot het lab, waar grafeen gebruikt wordt in de vorm van kleine schilfers (of flakes). De echte uitdaging bestaat erin om deze concepten verder te ontwikkelen, van het niveau van de schilfers tot producten die geschikt zijn voor massaproductie. Het materiaal moet hiervoor op waferschaal worden geïntegreerd in een echte productieomgeving. De stap van schilfer naar wafer is cruciaal om uiteindelijk tot industriële toepassingen te komen op diverse domeinen: elektronische toestellen, biomedische technologie, sensoren en opto-elektronica.”

Verdere stappen op de weg naar massaproductie zijn het groeien van grafeen op templates met een grote oppervlakte en de transfer ervan naar het uiteindelijke substraat. De synthese van grafeen vindt typisch plaats op een template van metaal (zoals koper), bij zeer hoge temperaturen (tot 1000°C). De kwaliteit van de template is cruciaal voor het groeiproces. Cedric Huyghebaert: “Sinds de start van het Flagship hebben wij aanzienlijke vooruitgang geboekt met het groeien van hoogwaardig grafeen door middel van chemische opdamping. Dit groeiproces vereist nog verdere engineering en fine-tuning, maar ik ben ervan overtuigd dat we die richting moeten uitgaan. De echte uitdaging bestaat erin om een defectvrije transfertechniek te ontwikkelen die het traditionele overzetproces met cellofaantape uit het lab kan vervangen. Meerdere strategieën bieden uitzicht op massaproductie en één ervan maakt gebruik van adhesie- en interface-chemie. Sinds wij aan boord zijn gegaan van het vlaggenschip begrijpen wij deze processen veel beter. Wij zijn erin geslaagd de kritische parameters te bepalen die ons een echte doorbraak zullen opleveren. Zodra we over een betrouwbaar transferproces beschikken, is het tijd om de machineproducenten aan te spreken en de manuele manipulaties te vervangen door automatische processen voor massaproductie.”

Marktrijpe producten

Hoewel onderzoekers zich nog steeds buigen over de fysische eigenschappen en toepassingen van dit materiaal, luidt de algemene verwachting dat toepassingen op basis van grafeen binnenkort al op de markt zullen komen. Cedric Huyghebaert: “In sommige nichemarkten zijn er al producten met grafeen verkrijgbaar, zoals tennisrackets of fietsen, waarbij grafeen het materiaal versterkt. In bepaalde toestellen die in China te koop zijn, is de elektrode in transparant ITO (indiumtinoxide) van het touchscreen vervangen door een laag grafeen. In deze toepassing scoort grafeen nog minder goed dan ITO voor wat prestaties en kosten betreft, maar op langere termijn is het potentieel duurzamer.”

Ook opto-elektronica en fotonica vormen een interessante en grotere markt die sterk gebaat zou kunnen zijn met grafeen. Optische datatransmissie is door de sterke groei van het dataverkeer onmisbaar geworden. Grafeen zou een rol kunnen spelen in de omzetting van digitale gegevens in lichtmodulatie. Cedric Huyghebaert: “Optische modulators op basis van grafeen, die minstens even goed presteren als de traditionele SiGe-modulators, zijn al aangetoond, ook door imec. Voor dergelijke toepassingen is het cruciaal om hoogwaardig grafeen op waferniveau te integreren en om tot massaproductie te komen van op grafeen gebaseerde componenten. Dit zou het pad kunnen effenen voor toepassingen die veel goedkoper zijn dan de huidige optische componenten. Als we eenmaal een integratieproces op de schaal van een wafer voor elkaar hebben, is er ook voor andere toepassingen een commerciële doorbraak weggelegd. Maar als we geen oplossing vinden voor de integratie op waferniveau, dan zullen de eerste op grafeen gebaseerde commerciële producten waarschijnlijk in andere domeinen op de markt komen, zoals zonnepanelen en energieopslag.”

Kritische massa

Het Graphene Flagship bundelt de expertise van meer dan 150 partners – universiteiten, onderzoeksinstituten en bedrijven – in 20 werkpakketten. Cedric Huyghebaert: “Dit Flagship staat voor een nieuwe vorm van gezamenlijk onderzoek op een ongeëvenaarde schaal. Een dergelijke kritische massa maakt het mogelijk om vooruitgang te boeken in een domein dat zich nog in de pre-concurrentiefase bevindt. Wij hebben de laatste jaren veel nieuwe kennis verworven, niet alleen over grafeen en hoe het in een productieomgeving kan geïntegreerd worden, maar ook over de manier waarop wij ons moeten organiseren. Wij hebben bijvoorbeeld een informele werkgroep opgericht over de integratie op waferniveau om de obstakels te bespreken die wij op onze weg vinden. Er worden nu op Europees niveau dus duidelijk gezamenlijke initiatieven genomen die er vroeger niet waren. Maar tegelijk ontstaan er ook nieuwe uitdagingen, zoals het managen van de grootschalige samenwerkingsinspanningen. En de partners aan boord van het Flagship hebben tot nu toe naar zoveel mogelijk toepassingsmogelijkheden gekeken, om zeker geen enkele doorbraak te missen die relevant zou kunnen zijn voor de Europese industrie. Nu komt het er voor het Flagship op aan om zich te concentreren op de meest beloftevolle toepassingsdomeinen.”

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies