Computer rechnet mit Transistoren aus Nanoröhrchen

Vor 15 Jahren schaltete in einem Labor im niederländischen Delft der erste Transistor aus Kohlenstoffnanoröhrchen. Nun gelang es Wissenschaftlern, aus diesen winzigen Nanoteilchen einen ersten Computer zu fertigen. Die Leistung ist zwar noch sehr bescheiden und erinnert an die Anfänge der Siliziumära in den 1950er Jahren. Doch haben Prozessoren aus Nanoröhrchentransistoren das Potenzial, weniger Strom zu verbrauchen und das Problem einer zunehmend störenden Wärmeentwicklung zu lösen. Über Aufbau und Funktionsweise ihres Nanoröhrchencomputers berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“.

Wafer in Form eines Tischtennisschlägers mit einer Oberfläche aus kleinen goldenen Plättchen. Dahinter sind weitere elektronische Aufbauten zu sehen.
Prozessoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen

„Unser Ergebnis belegt, dass man mit Nanotechnologie Systeme bauen kann, die über die traditionelle Siliziumtechnologie hinausgehen“, sagt Subhasish Mitra von der Stanford University in den USA. Mit seiner Arbeitsgruppe gelang es ihm, einen rudimentären Computer aus 178 Nanoröhrchentransistoren zu fertigen. Mit einer langsamen Taktung von einem Kilohertz konnte dieser über eine grundlegende logische Operation digitale Daten nach Wunsch verarbeiten. Möglich wurde dieser große Schritt hin zu leistungsfähigen Kohlenstoffprozessoren durch ein geschicktes Design der wenige Mikrometer kleinen Schaltkreise.

Aus einer heißen Dampfphase ließen die Forscher zuerst einwandige Nanoröhrchen auf einer Quartzunterlage wachsen. Streng parallel ausgerichtet deponierten sie diese Röhrchen auf einem Siliziumdioxidwafer. Für die elektrischen Kontakte legten sie hauchdünne Schichten aus Platin, Palladium und Aluminiumoxid auf die Nanoröhrchen. Strukturiert mit lithografischen Verfahren und Ätzprozessen entstand so das Areal aus 178 Transistoren, in denen jeweils zehn bis 200 einzelne Nanoröhrchen gebündelt waren. Die Prozessorarchitektur entwarfen die Forscher so geschickt, dass einzelne nicht parallel ausgerichtete Nanoröhrchen die Funktion der Transistoren nicht mehr stören konnten.

Da Nanoröhrchen aus Kohlenstoff abhängig von der Anordnung ihrer Atome nicht immer halbleitend, sondern auch metallisch leitend sein können, war der Bau zuverlässiger Schaltkreise bisher sehr schwierig. Auch für ihren Prototyp mussten Mitra und Kollegen eine Lösung für dieses Problem finden. So setzten sie ihren Prozessor gleichmäßig unter Strom. Dieser floss bevorzugt durch die metallisch leitenden Röhrchen und heizte diese so stark auf, dass sie schließlich verdampften. Übrig blieben ausschließlich halbleitende Nanoröhrchen.

„Das ist ein wichtiger wissenschaftlicher Durchbruch“, sagt Mihail Roco, Experte für Nanotechnologie von der amerikanischen National Science Foundation, der selbst nicht an diesen Arbeiten beteiligt war. Auch Franz Kreupl von der Technischen Universität München äußert sich in einem begleitenden Kommentar begeistert: „Dieses System ist ein funktionierender universeller Computer und repräsentiert einen signifikanten Fortschritt auf dem Feld neuer elektronischer Materialien.“ Allerdings misst der kleinste der Nanoröhrchentransistoren noch etwa acht Millionstel Meter und ist damit um ein Vielfaches größer als derzeitige Siliziumtransistoren. Doch rechnet Kreupl damit, dass die Nanoröhrchen-Schaltkreise bald stark schrumpfen könnten. „Wenn die Forschungsanstrengungen […] weiter auf diesen Nanoröhrchencomputer fokussiert werden, könnten wir schon bald auf einem tippen.“