Hoe Wetenschappers Halfgeleiders Supergeleidend Maakten

Beperkingen van Supergeleiding

Elektriciteit is een van de meest transformerende technologieën in de geschiedenis geweest, waardoor een zeer nuttige vorm van energie over lange afstanden kan worden getransporteerd. Maar elk “normaal” elektrisch systeem ondervindt elektrische weerstand, wat leidt tot warmteproductie wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd.

Er bestaat een alternatief: supergeleidend materiaal. Supergeleidend materiaal heeft nul elektrische weerstand, waardoor extreem krachtige stromen kunnen vloeien zonder warmte te genereren.

Zonder supergeleiding zou veel moderne technologie niet mogelijk zijn, waaronder deeltjesversnellers (bijvoorbeeld CERN), MRI en maglev‑treinen.

Supergeleiding zal een cruciaal onderdeel zijn van de meest veelbelovende megaprojecten en technologische innovaties, zoals ITER en kernfusie, massadrivers, kwantumcomputers, enz.

Elektriciteitsleidingen zonder verlies kunnen ook cruciaal zijn bij het ontwikkelen van ultralange netverbindingen, waardoor de productie van hernieuwbare energie over weersomstandigheden en tijdzones kan worden gebufferd, en enkele beperkingen van zonne‑ en windenergie worden opgelost.

Echter, supergeleiding is tot nu toe alleen onder de knie gekregen voor materialen die het vertonen bij ultralage temperaturen, slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Of onder extreem hoge druk. Of beide.

Dit maakt het niet alleen te complex voor alles behalve de meest veeleisende toepassingen (maglev, MRI, enz.) maar ook zeer kostbaar, waardoor het onrendabel is voor veel toepassingen die zouden kunnen profiteren van supergeleidend materiaal voor grootschalig gebruik.

Veel Paden naar Supergeleiding

Het lijkt er nu op dat het materiaal dat onder hoge druk is geproduceerd, een deel van zijn supergeleiding kan behouden bij lagere druk via een experimentele methode genaamd pressure‑quench protocol (PQP).

Recentelijk leek de twisted bilayer van WSe₂ (tungstenselenium) een goede materiaalkandidaat voor supergeleiders met hogere temperaturen.

Een andere nieuwe klasse potentiële supergeleiders, bilayer nikkelaten, zou dit jaar ook aan de lijst kunnen zijn toegevoegd.

Desondanks zijn al deze materialen relatief nieuw en exotisch, waardoor ze nog ver verwijderd zijn van massaproductie en grootschalige inzet.

Dit zou kunnen veranderen dankzij de ontdekking dat op germanium gebaseerde halfgeleiders kunnen worden omgevormd tot supergeleiders. Dit onderzoek werd uitgevoerd door wetenschappers van de University of Queensland (Australië), New York University, ETH Zürich (Zwitserland) en The Ohio State University, die hun bevindingen publiceerden in Nature Nanotechnology, onder de titel “Superconductivity in substitutional Ga‑hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Van Halfgeleiders naar Supergeleiders

Germanium Halfgeleiders

Germanium en silicium zijn beide zogenaamde Groep‑IV‑elementen met diamantachtige kristalstructuren. Deze kristalstructuur laat ze zich gedragen als iets tussen een metaal (geleidend voor elektriciteit) en een isolator (niet‑geleidend), waardoor ze nuttig zijn voor de productie van halfgeleiders.

De productie van germanium‑halfgeleiders is al goed begrepen en op schaal uitgevoerd voor diverse elektronische en optische apparaten. Het was eigenlijk een van de eerste materialen die werden gebruikt voor diodes en transistors, en werd alleen vervangen door silicium dankzij de lagere kosten en superieure thermische stabiliteit.

Tegenwoordig is germanium, dat cruciaal is voor elektronica en infraroodoptiek, inclusief sensoren op raketten en defensiesatellieten, grotendeels afkomstig uit zink‑ en molybdeenmijnen.

Om supergeleiding te creëren, moeten elektronen zich koppelen, zodat ze door het materiaal kunnen bewegen zonder weerstand.

Al in 2023 werd een supergeleidingsfase gevonden in germaniumfilms, een werk uitgevoerd door de onderzoekers die verantwoordelijk zijn voor deze nieuwste ontdekking, waarbij gallium werd gedoopt in germanium.

Bron: ResearchGate

“Dit werkt omdat groep‑IV‑elementen niet van nature supergeleiden onder normale omstandigheden, maar het aanpassen van hun kristalstructuur maakt de vorming van elektronenparen mogelijk die supergeleiding toelaten.”

Javad Shabani – Directeur van NYU’s Center of Quantum Information Physics.

Opschalingspotentieel

Hoewel eerdere pogingen om supergeleidende eigenschappen te creëren in halfgeleiders zoals germanium en silicium het concept bewezen, hadden ze moeite om dit op schaal te realiseren.

De belangrijkste problemen waren het behouden van de atomaire structuur met de juiste geleidingseigenschappen. Normaal gezien destabiliseert een hoog gehalte aan gallium het kristal, waardoor supergeleiding wordt voorkomen.

Desondanks is dit een veelbelovend idee, aangezien de productie van germanium‑halfgeleiders een zeer goed begrepen technologie is, met volop apparatuur die klaarstaat voor gebruik.

“Germanium is al een werkpaardmateriaal voor geavanceerde halfgeleidertechnologieën, dus door aan te tonen dat het ook supergeleidend kan worden onder gecontroleerde groeicondities, bestaat er nu potentieel voor schaalbare, foundry‑klare kwantumapparaten.”

Dr Peter Jacobson – Onderzoeker aan de University of Queensland

Nieuwe Productiemethode

De meeste dopingsmethoden proberen de ionen in het materiaal te integreren, maar leiden tot nogal onregelmatige resultaten. Hoewel dat voldoende kan zijn om de prestaties van halfgeleiders te verbeteren, is het te onnauwkeurig om supergeleiding te induceren.

In plaats daarvan gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd moleculaire straal epitaxie (MBE). Het richt stralen van atomaire of moleculaire bronnen op een verwarmd substraat in een ultra‑hoge vacuüm (UHV) omgeving.

Bron: ExplainThatStuff

Dit geeft precieze controle over de samenstelling, dikte en doping van de groeiende film.

“In plaats van ionimplantatie werd molecular beam epitaxy (MBE) gebruikt om galliumatomen nauwkeurig in het germaniumkristalrooster te incorporeren.

Het gebruik van epitaxie – het groeien van dunne kristallagen – betekent dat we eindelijk de structurele precisie kunnen bereiken die nodig is om te begrijpen en te beheersen hoe supergeleiding in deze materialen ontstaat.

Dr Julian Steele – Onderzoeker aan de University of Queensland

Bij gebruik van synchrotron‑gebaseerde röntgenabsorptie ontdekten de onderzoekers dat galliumdopanten worden opgenomen in het germaniumrooster, waardoor een tetragonale vervorming van de kristalcel ontstaat.

Bron: Nature Nanotechnology

Deze structurele ordening creëert een smal elektronisch band voor het ontstaan van supergeleiding in Ge.

Bron: Nature Nanotechnology

Belangrijker nog, deze methode kan werken op wafer‑niveau, dezelfde methoden die worden gebruikt om elektronische chips massaal te produceren.

Bron: WaferWorld

“Dit theoretische werk bevestigde dat galliumatomen netjes het germaniumrooster vervangen, waardoor de elektronische voorwaarden voor supergeleiding ontstaan.

Het is een elegant voorbeeld van hoe berekening en experiment samen een probleem kunnen oplossen dat de materiaalkunde meer dan een halve eeuw heeft uitgedaagd.

Dr Carla Verdi – Onderzoeker aan de University of Queensland

Toepassingen

De supergeleiding die deze methode creëert is geen kamertemperatuursupergeleiding, aangezien het temperaturen vereist zo laag als 3,5 K (-269 °C / -453 °F), een fenomeen dat de materiaalkunde nog steeds ontgaat.

Desondanks zou de eenvoud van de productie, met gebruik van goed gevestigde machines die door de halfgeleiderindustrie worden gebruikt, de manier waarop supergeleidend chips worden gemaakt radicaal kunnen veranderen.

Op zijn beurt zou dit de manier waarop materialen voor kwantumcomputers worden geproduceerd radicaal kunnen veranderen. Hoogstwaarschijnlijk zou een toekomstige kwantumcomputer in plaats van duur supergeleidend materiaal gewoon een ‘normale’ gallium‑germanium halfgeleiderwafer kunnen gebruiken, die op specifieke plekken van de chip supergeleidend wordt gemaakt.

“Deze materialen openen een pad naar een nieuw tijdperk van hybride kwantumapparaten en zouden toekomstige kwantumcircuits, sensoren en laag‑energie cryogene elektronica kunnen ondersteunen, die allemaal schone interfaces tussen supergeleidende en halfgeleidende regio’s nodig hebben.”

Dr Peter Jacobson – Onderzoeker aan de University of Queensland

Veeg om te scrollen →

Investeren in Halfgeleiderproductie

Halfgeleiderproductie is een industrie die wordt gedomineerd door een combinatie van zeer niche‑ en complexe expertise, en de noodzaak om op schaal massaal te produceren om kosten te verlagen.

Geen enkel bedrijf is zo succesvol geweest in het beheersen van dit bedrijfsmodel als TSMC, het Taiwanese bedrijf dat wereldwijd vooroploopt in de productie van ultra‑geavanceerde chips.

TSMC produceert uiteraard voornamelijk siliciumchips, inclusief de krachtigste 3‑ en 2‑nm node‑chips. En omdat het voornamelijk de meest geavanceerde en dure chips produceert, controleert het meer dan de helft van de wereldwijde omzet van de halfgeleiderfoundry‑industrie.

Bron: Eric Flaningam

TSMC ontwikkelt zich momenteel om siliciumchips in de VS te gaan produceren, met name door een enorme investering in haar nieuwe foundries in Arizona.

Desondanks is TSMC ook een expert in geavanceerde op germanium gebaseerde transistors en andere halfgeleiders.

Dus terwijl het bedrijf voornamelijk zijn huidige winst haalt uit geavanceerde chips en de productie van AI‑hardware voor bedrijven als Nvidia (NVDA ), zou het ook een van de belangrijkste begunstigden kunnen zijn van de ontdekking dat gangbare halfgeleiderproductiemethoden kunnen produceren.

Laatste TSMC (TSM) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Bestudeerde Studie:

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Supergeleiding in substitutieve Ga‑hypergedoopte Ge epitaxiale dunne films. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}