Transistor aus hauchdünner Kohlenstoffschicht

Modul aus einer Graphen-Membran schaltet bei Raumtemperatur mit einzelnem Elektron.

Modell einer Graphen-Membran
Modell einer Graphen-Membran

Manchester (Großbritannien)/Stuttgart - Elektronische Schaltkreise werden immer kleiner, weil vor allem die Transistoren immer feiner aus Siliziumscheiben herausgeätzt werden. Doch Experten erwarten ein Ende der Miniaturisierung in Silizium für 2020. Doch jetzt ist ein Nachfolger in Sicht: Britische Forscher präsentieren einen Transistor aus der Kohlenstoff-Variante Graphen.

Nur ein Zehntel Nanometer dick, schaltet er mit nur einem Elektron bei Raumtemperatur, ist rund viermal kleiner als die kleinsten Silizium-Transistoren, relativ einfach herzustellen und vermutlich deutlich effizienter. Bisherige Transistor-Entwicklungen in dieser Größe erforderten entweder tiefe Minustemperaturen, eine sehr komplizierte Herstellung oder ließen sich nicht zuverlässig schalten. Mit dem Graphen-Transistor dürfte die Entwicklung immer kleinerer und schnellerer elektronischer Geräte auf absehbare Zeit nicht enden, so der kommende Artikel der Forscher im Fachblatt "Nature Materials".

"Graphen wird Silizium nicht umbringen. Doch es liefert den Schimmer einer Ahnung davon, was möglich ist, nachdem Silizium unrentable wird", erklärt Andre Geim, Physiker an der University of Manchester. Graphen ist Kohlenstoff in quasi zweidimensionalen Schichten: Kohlenstoffatome liegen flach im Wabenmuster nebeneinander. In gerollter Form werden daraus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, in geschichteter Form Graphit. Eine Graphen-Schicht selbst ist nur ein Atom dick und liefert durchlaufenden Elektronen minimalen Widerstand, so dass Forscher bei seiner Entdeckung 2004 von bislang unmöglichen Anwendungen zu träumen begannen.

Geim und Kollegen ätzten aus einer solchen Graphen-Lage einen Ein-Elektronen-Transistor (Single Electron Transistor SET). In seinem Herzstück, weniger als zehn Nanometer breit, kann sich ein einzelnes Elektron fangen und eine so genannte Coulomb-Blockade auslösen: Keine weitere Elektronen können fließen, solange es den Weg blockiert. Ein elektrisches Feld verändert die Energiezustände, die den Transistor entweder in Sperr- oder in Durchlassschaltung bringen. Nur eine vergleichsweise winzige Gate-Spannung ist dazu nötig, die aber eine große Veränderung im Stromfluss auslösen kann. Das macht die Effizienz des Transistors aus und lässt die Forscher sehr schnell und präzise schaltbare Elektronik erwarten.

Während Geims Team nachweisen konnte, dass ihr Transistor funktioniert -- weitere Details liefern sie in den "Physical Review Letters" nach --, lief die Herstellung per Elektronenstrahllithographie doch nach dem Glücksprinzip: Das Ätzen der winzigen Struktur liefert nur in manchen Fällen ein ausreichend kleines Gate, das sich von einem einzelnen Elektron füllen ließ. Fortschritte in der Mikrofabrikation sollten das Problem aber zuverlässig lösen, so Geim. In einer zweiten Veröffentlichung im Fachblatt Nature beschreibt er mit Kollegen aus Stuttgart und dem niederländischen Nijmegen neue Erkenntnisse zu Graphen als Material. Sie erklären, dass die dünnen Kohlenstoffschichten in Wahrheit nicht komplett flach und zweidimensional sind -- aller Erfahrung nach müssten sie dann unstabil und angreifbar für Nachbarteilchen sein. Mithilfe eines Transmissions-Elektronenmikroskops zeigten die Forscher hier, dass die Schichtenstruktur winzige Wellen aufweist, was sie offenbar stabil hält.