Chip aus Graphen empfängt erste Funksignale

Graphen besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen. Da dieses Material den elektrischen Strom besonders gut leitet, gilt es als möglicher Nachfolger von Silizium in elektronischen Schaltkreisen im Nanometerbereich. Auf diesem Weg ist Forschern um Shu-Jen Han von IBM Research nun ein wichtiger Schritt gelungen: Sie kombinierten den Einbau von Graphentransistoren mit herkömmlichen Herstellungsverfahren. Mit dem neuen Chip ließen sich erste Funksignale übertragen, wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten.

Aufgrund seiner bienenwabenförmigen Struktur ist Graphen zwar besonders leitfähig, aber auch brüchig. Darum wurde bei bisherigen Versuchen, einen siliziumbasierten Prozessor mit Graphen zu kombinieren, die hauchdünne Graphenschicht oft beschädigt. Das Team um Han drehte nun die Reihenfolge des herkömmlichen Herstellungsverfahrens einfach um: Sie bauten die Graphentransistoren erst am Schluss in die Schaltung ein. Auf diese Weise gelang es ihnen, einen Funkempfänger für die drahtlose Kommunikation zu fertigen, der rund zehntausendmal besser als bisherige Graphenbauelemente arbeitet. Nach Angaben der Forscher lässt sich das Verfahren gut mit der üblichen Herstellung von Metall-Oxid-Halbleitern – sogenannten CMOS-Halbleitern – verbinden, die zum Bau digitaler und analoger Schaltungen eingesetzt werden.

3D-Ansicht von drei verschieden eingefärbten Bauelementen des Schaltkreises auf dem Chip. Das längliche, leiterartige Plättchen in der Mitte ist ein Graphentransistor. Bei dem breiten Plättchen ganz links handelt es sich um einen Kondensator. Den hinteren Bildteil füllen die parallelen Bahnen einer Induktionsspule aus.
Graphenchip unter dem Elektronenmikroskop

Der neue Chip, auf den drei Graphentransistoren aufgebracht wurden, hat eine Fläche von 0,6 Quadratmillimetern. Er besteht zudem aus acht weiteren Bauelementen: vier Induktionsspulen, zwei Widerständen und zwei Kondensatoren. In einem Test sendeten die Forscher auf einer Trägerfrequenz von 4,3 Gigahertz eine einfache Textnachricht, bestehend aus den drei Buchstaben „I“, „B“ und „M“. Der Graphenchip empfing das Funksignal unverzerrt bei einer Übertragungsrate von zwanzig Megabit pro Sekunde. Der Energieverbrauch der Schaltung lag dabei mit unter zwanzig Milliwatt vergleichsweise niedrig, wie Han und seine Kollegen berichten.

Die Forscher sehen ihr neues Verfahren als wichtigen Schritt hin zu energieeffizienten, elektronischen Geräten, die mit Funkschaltkreisen aus Graphen funktionieren. Für die Halbleiterindustrie könnte von Interesse sein, dass die vorgestellten Schaltungen in einem üblichen Herstellungsprozess für Siliziumwafer – das sind scheibenförmige Grundplatten für elektronische Bauelemente – gefertigt wurden. Es wären also keine nennenswerten Umrüstungen an bestehenden Produktionsanlagen nötig. Mit seinem analogen Design eignet sich der Graphenchip allerdings noch nicht für digitale Schaltungen.