Da Niels Bohr for 100 år siden i december 1922 holdt en forelæsning om atomets struktur i Stockholm efter at have modtaget Nobelprisen i fysik, havde han en ægte overraskelse med i ærmet. Til sidst kunne han nemlig fortælle, at det for Dirk Coster og George de Hevesy hjemme i København på Bohrs nyligt åbnede institut var lykkedes at finde og separere grundstoffet med atomnummer 72 i en zirkonholdig mineralprøve fra Norge. Derved kunne de fastslå – som Bohrs atommodel havde forudsagt – at grundstoffet, kemisk set var i slægtskab med zirkonium og ikke lanthaniderne, dvs. grundstofferne fra nr. 57 til 71, som andre ellers troede ville være tilfældet.
Det var også Coster og Hevesy, der foreslog betegnelsen hafnium – det latinske navn for København er Hafnia – for det nye grundstof, da de selv annoncerede deres opdagelse i et letter to the editor i Nature 20. januar 1923. Hafnium var det andet grundstof, der blev opdaget i Danmark. Det første var aluminium, som H.C. Ørsted opdagede i 1825 – det fejrer vi om nogle år.
Hafnium er god til at absorbere neutroner og anvendes derfor bl.a. i kontrolstænger i atomreaktorer. Det har også fundet anvendelse i legeringer til visse raketmotorer, bl.a. på Apollo-månelandingsmodulerne, og det bruges i visse halvlederelektronikkomponenter. Det skyldes, at hafniumdioxid, HfO2, har en høj dielektricitetskonstant – elektronikingeniørerne siger, at det er et høj-k-materiale. Denne egenskab mindsker gatelækstrømmen i en transistor. Metaloxidhalvleder-felteffekttransistorer eller blot MOSFET, som er standarden til chipproduktion, er karakteriseret ved, at en gateelektrode regulerer strømmen mellem source- og drain-elektroderne.
I en ny artikel i Nature har en stor og primært amerikansk forskningsgruppe ledet af Sayeef Salahuddin fra University of California, Berkeley, nu fremstillet en ny variant af en HfO2-MOSFET. Den er karakteriseret ved en negativ kapacitans. Det betyder, at man kan reducere spændingen på gateelektroden betydeligt og dermed reducere energiforbruget. Så vidt jeg husker, var negativ kapacitans ikke noget, vi hørte om, da jeg for mange år siden havde elektronikkurser på DTU, men måske husker jeg forkert. Jeg minder om, at kapacitans er udtryk for forholdet mellem lagret ladning og elektrisk spænding – formlen lyder C=Q/U. Negativ kapacitans betyder, at et fald i spændingen fører til en større ladning, ΔQ/ΔU er negativ. Det er meget kontraintuitivt, men det kan faktisk opstå i ferroelektriske materialer i specielle situationer. Helt præcis består den nye gateelektrode af skiftevis atomare lag af ferroelektrisk hafniumdoxid og antiferroelektrisk zirkoniumdioxid.
Artiklen fortsætter under billedet.
Helt konkret kunne forskere konstatere, at de i transistorer med denne gateelektrode kunne reducere gatespændingen med 30 pct. i forhold til en mere konventionel transistor med samme egenskaber. Salahuddin beskriver selv, at de dermed har transformeret negativ kapacitans fra et emne af akademisk interesse til noget, som kan bruges i en avanceret transistor. For i modsætning til mange andre forsøg på at forbedre transistorer er det relativt simpelt at bruge hafniumdioxid, som let kan indpasses i fremstillingsprocesserne.
Gennem tiderne er der fremkommet mange nye forsøg på at udvikle bedre og mindre energislugende transistorer med brug af nye eller ukonventionelle materiale. Til trods for mange af deres gode egenskaber er de alligevel aldrig blevet til noget særligt, for det er altid en hurdle at introducere nye materialer i halvlederindustrien, i hvert fald når det gælder masseproduktion. Det er nok lidt lettere at forestille sig nicheanvendelser, hvor prisen ikke er helt så afgørende. Så om den nye hafnium-/zirkoniumdioxid transistor virkelig for alvor vil vinde frem, er nok stadig noget usikkert. Men her i hundredåret for grundstoffets første frembringelse på Niels Bohr Institutet er det da lidt interessant, at man nu PR-mæssigt også kan slå på tromme for, at københavnermetallet på denne måde kan bidrage til den grønne omstilling.
