Schaltbare Bandlücke

Hauchdünne Kohlenstoffschichten für neue Nanotransistoren - Sandwich aus Graphenlagen zeigt einzigartige elektronische Halbleiter-Eigenschaften

Graphen-Schicht
Graphen-Schicht

Berkeley (USA) - Computerchips und Laser mit bisher unerreichbaren Eigenschaften locken mit extrem dünnen Schichten aus Kohlenstoff. Diese Graphen-Lagen könnten in Zukunft das heute dominierende Silizium beim Aufbau der elektronischen Schaltkreise ersetzen. Mit einer neuen Entdeckung amerikanischer Physiker steigen die Chancen dafür noch weiter. In der Zeitschrift "Nature" berichten sie, dass sich die Bandlücke - eine zentrale Voraussetzung für Halbleitermaterialien - mit angelegten Spannungen manipulieren lässt. In klassischen Silizium-Transistoren ist die Größe dieser Bandlücke dagegen nicht veränderbar.

"Die elektrostatische Kontrolle der Bandlücke macht neue nanoelektronische und nanophotonische auf der Grundlage von Graphen möglich", schreiben Yuanbo Zhang und seine Kollegen von der University of California in Berkeley. Für ihren Prototyp eines Feldeffekttransitors (FET) deponierten die Wissenschaftler eine Doppellage aus Graphen zwischen Siliziumdioxid und Aluminiumoxid. Sowohl von oben als auch von unten konnten sie mit je einer Elektrode so genannte Gate-Spannungen an diese Halbleiterstruktur anlegen. Dabei zeigte sich, dass der Graben zwischen Valenz- und Leitungsband - die Bandlücke - sich je nach Spannung breiter oder schmaler ausbildete.

Mit dieser zwischen 0 und 250 Millielektronenvolt einstellbaren Bandlücke bleiben auch nach dem Bau eines Transistors die Schalteigenschaften variabel einstellbar. Das Graphen-Sandwich bietet damit nicht nur bisher unerreichbare Möglichkeiten für den Aufbau neuer Prozessoren, sondern auch für die Entwicklung von Laserdioden. Prinzipiell ließe sich über angelegte Spannungen die Wellenlänge des Laserlichts über einen weiten Spektralbereich variieren. Bis man erste Graphen-Chips oder Graphen-Laser in den Händen halten kann, werden allerdings noch Jahre vergehen. Bis dahin ist es nicht unwahrscheinlich, dass die nur eine Atomlage dünnen Kohlenstoffschichten, die vor nur fünf Jahren von dem Physiker André Geim erstmals hergestellt wurden und seitdem einen rasanten Forschungsboom einleiteten, mit weiteren Eigenschaften überraschen werden.