Transistoren aus Nanoröhrchen

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, mit reflektierten Lichtwellen die Qualität von Nanoröhrchen lokal zu überprüfen.

Yorktown Heights (USA) - Sie sind nur zwei Millionstel Millimeter dick und könnten in Zukunft den Weg zu extrem kleinen und schnellen Transistoren ebnen: Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Mehrere Forschergruppen stellten bereits erste Prototypen solcher Nanoschaltkreise vor. Doch die Röhrchen unterscheiden sich je nach Struktur stark in ihren elektronischen Eigenschaften. Zudem verändern winzige Verunreinigungen die elektrische Leitfähigkeit dramatisch, so dass die Reproduzierbarkeit und ein verlässlicher Einsatz sehr schwierig zu erreichen sind.

"Der Erfolg der Nanoelektronik wird wesentlich von der Möglichkeit abhängen, Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bauen zu können", ist Phaedon Avouris vom IBM-Watson Research Center in Yorktown Heights überzeugt. Daher suchte sein Team zusammen mit einem Kollegen der Duke University nach einer zuverlässigen Methode für die Qualitätskontrolle von Nanoröhrchen. Mit Erfolg, wie die Forscher im Fachblatt "Nature Nanotechnology" berichten. Denn einfallendes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 514,5 Nanometern wird entsprechend der elektrischen Ladung in den Nanoröhrchen unterschiedlich reflektiert. Je nach Anzahl der Ladungsträger, den Elektronen, im Röhrchen, kommt es zu einer geringfügigen Verschiebung der Lichtwellenfrequenz und zu einer Verbreiterung des Signals.

Die Ursache liegt in dem bekannten Effekt der Raman-Streuung. Fällt Licht auf ein Material, können die Schwingungen der Atome – auch Phononen genannt – die Reflexion des Lichts beeinflussen. Da diese Schwingungen direkt von den sich bewegenden Elektronen abhängen, liefert das reflektierte Licht verwertbare Informationen über die Leitfähigkeit und die Qualität der Nanoröhrchen. Für diese Messungen setzten die Forscher ihre Röhrchen unterschiedlich großen Spannungen zwischen 0 und 20 Volt aus. Höhere Spannungen mit einer größeren Elektronenzahl verursachten stärkere Veränderungen in dem reflektierten Licht. "Mit dieser Technik können wir nun lokal die Eigenschaften von Nanoschaltkreisen testen", sagt Avouris.

Weitere Experimente zeigten, dass sich mit der Raman-Streuung auch leitende und halbleitende Nanoröhrchen voneinander unterscheiden lassen. Das ist von großer Bedeutung, da man den Röhrchen von außen nicht ansehen kann, ob sie halbleitend oder leitend sind. Trotz dieser eleganten Messmethode ist der Weg zu einem Chip mit Transistoren aus Nanoröhrchen noch sehr weit. Die Forscher müssen dazu noch ein elegantes Verfahren finden, um im Vorfeld leitende von halbleitenden Nanoröhrchen zu trennen. Desweiteren gibt es bisher keine Technik, um die Röhrchen millionenfach auf einem Prozessor anzuordnen. Die Prototypen funktionieren zwar wie ein Transistor, sind aber aufwändig hergestellte Einzelstücke.