Molekularer Maschendraht für Chips der Zukunft

Halbleitende Graphen-Bänder lassen sich gezielt aus Molekülen zusammensetzen

Graphen-Bänder
Graphen-Bänder

Dübendorf (Schweiz) / Mainz - Mit Kohlenstoff statt Silizium könnten die Transistoren der Zukunft weiter schrumpfen und nur noch mit wenigen Elektronen zwischen "0" und "1" schalten. Galten dafür bislang die vielseitigen Nanoröhrchen als viel versprechendes Material, könnten sie nun von winzigen Bänder aus Graphen –- das sind nur eine Atomlage dünne Kohlenstoff-Strukturen -– verdrängt werden. Deutsche und schweizerrische Wissenschaftler entwickelten eine elegante Methode, um solche nur Millionstel Millimeter schmalen Bänder mit halbleitenden Eigenschaften herzustellen. In der Zeitschrift "Nature" erläutern sie ihr "Bottom-Up"-Verfahren, das Graphen-Bändern den Weg in die Mikroelektronik ebnen könnte.

"Mit unserer Methode können wir die Bandlücke -– die zentrale Voraussetzung für Halbleiter -– gezielt einstellen", sagt Roman Fasel vom Schweizer Materialforschungsinstitut Empa in Dübendorf. Zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz sowie der ETH Zürich und von den Universitäten Zürich und Bern setzte er kleinere Moleküle aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Halogenen auf hochreine Gold- oder Silberoberflächen. Hier verknüpften sie sich zu längeren Polymerketten. Aufgeheizt auf etwa 440 Grad Celsius, lösten sich Wasserstoff- und Halogenatome ab. Zurück blieben Nanobänder aus Graphen mit genau definierter Struktur.

Je nach Art der zu Beginn verwendeten Monomere entstanden entweder gradlinige oder zickzackförmige Graphenbänder. Diese Strukturen sind verantwortlich für die Größe der elektronischen Bandlücke, die die Schalteigenschaften in einem Transistor oder die Lichtfarbe in Leucht- und Laserdioden beeinflussen. Ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu halbleitenden Nanoröhrchen aus Kohlenstoff liegt in der Sortenreinheit dieser Graphen-Bänder.

Um erste Transistoren aus den Nanobändern herstellen zu können, wollen die Forscher ihre Graphen-Strukturen nun auf Siliziumdioxid statt auf Metallflächen wachsen lassen. Auch an einer Methode zur zerstörungsfreien Ablösung der Graphen-Bänder von der Metalloberfläche wird derzeit gearbeitet.

Erst 2004 erstmals entdeckt, scheinen sich die hauchdünnen Graphen-Strukturen zu einem neuen Schlüsselmaterial für elektronische Anwendungen zu entwickeln. So berichteten koreanische Forscher vor wenigen Wochen, dass sie erfolgreich große Flächen aus Graphen mit einem einfachen Verfahren produzieren konnten. Mit diesen fertigten sie einen flexiblen und zugleich berührungsempfindlichen Flachbildschirm. "Die Graphen-Forschung boomt derzeit und das Material hat in vielen Bereichen den Nanoröhrchen schon die Show gestohlen", sagt Fasel.