News: Oberflächliche Elektronik
Für Wissenschaftler zählen nicht nur die inneren Werte eines Diamanten. Oberflächlich betrachtet, könnte er durchaus für elektronische Anwendungen interessant sein.
© (Ausschnitt)
Nicht allein Juweliere schätzen den Diamant als Material mit ganz besonderen Eigenschaften. Auch Wissenschaftler können dieser dichtesten Form des Kohlenstoffs einiges abgewinnen. Denn neben seiner sprichwörtlichen Härte ist er auch der beste Wärmeleiter überhaupt und unempfindlich gegenüber Säuren und Strahlung. Einzig in Sachen elektrischer Leitfähigkeit muss er sich hinter seinem Bruder, dem Graphit, verstecken, denn im Gegensatz zu ihm ist der Diamant ein Isolator.
Doch wenngleich sein Inneres dem Transport von Elektronen einen sehr großen Widerstand entgegenstellt, so lässt sich seine Hülle doch durchaus für den Ladungstransport erweichen. Denn hier bricht die strenge tetraedrische Kristallstruktur auf, bei der ein Kohlenstoffatom vier Nachbaratome besitzt. Vielmehr ähnelt der Diamant an der Oberfläche dem Graphit. Entfernt man diese oberen Atomlagen und setzt an die freien Bindungen andere Atome, so lässt sich die oberflächliche Leitfähigkeit nahezu nach Belieben verändern.
Während Sauerstoff als Abschluss beispielsweise die Leitfähigkeit eher noch verschlechtert, lässt oberflächlicher Wasserstoff die Elektronen weitaus besser fließen. Das nutzten Jose Garrido vom Walter Schottky Institut der Technischen Universität München und seine Kollegen nun, um einen so genannten Feldeffekttransistor (FET) herzustellen.
So ein FET ist ein Halbleiterbauelement, das zur Verstärkung und Steuerung von Signalen dient. Im Gegensatz zu anderen Transistoren ist beim FET nur eine Ladungsträgerart am Stromtransport beteiligt. Dabei fließt der Strom durch einen dünnen Halbleiterkanal zwischen zwei metallischen Anschlüssen - dem Source- und dem Drain-Kontakt. In der Regel lässt sich die Leitfähigkeit dieses Halbleiterkanals über die Spannung an einem dritten Kontakt, dem Gate, steuern. Im Prinzip verhält sich ein FET ähnlich wie ein Schlauch, bei man die hindurchströmende Wassermenge durch den Fußdruck auf den Schlauch steuert.
Der leitende Kanal des Diamanten-Feldeffekttransistors besteht nun aus der hydrogenierten Kohlenstoffoberfläche des Diamanten, zwei Aluminium-Elektroden bilden die Source- und Drain-Zuleitung und zwei weitere Elektroden zu beiden Seiten des Kanals den Gate-Kontakt. Um letzteren von dem Kanal zu isolieren, wurden zwei 100 Nanometer dünne Linien zwischen dem Kanal und den beiden Elektroden von Wasserstoff befreit und stattdessen mit Sauerstoff besetzt - sozusagen die Gummiwand des Wasserschlauchs. Durch Anlegen einer Spannung über dem Gate-Kontakt ließ sich dann tatsächlich der leitende Querschnitt des Kanals zwischen einem Mikrometer und 100 Nanometer problemlos steuern und damit auch der Stromfluss durch Kanal regeln.
Die Idee des planen, zweidimensionalen Transistors ließ sich also erfolgreich umsetzen. Aber dabei allein muss es nicht bleiben, weitere Bauelemente sind denkbar, bei denen die Dimensionalität weiter eingeschränkt wird. Nicht zuletzt aufgrund der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und der guten Verträglichkeit mit biologischem Gewebe lässt sich so manche Anwendung im Bereich der Hochleistungs- beziehungsweise der Bioelektronik ausmalen. Besonders günstig wird die Technik jedoch sicherlich nicht, denn schließlich übertreffen Diamanten auch in einer weiteren Eigenschaft die meisten anderen Materialien: im Preis.
Doch wenngleich sein Inneres dem Transport von Elektronen einen sehr großen Widerstand entgegenstellt, so lässt sich seine Hülle doch durchaus für den Ladungstransport erweichen. Denn hier bricht die strenge tetraedrische Kristallstruktur auf, bei der ein Kohlenstoffatom vier Nachbaratome besitzt. Vielmehr ähnelt der Diamant an der Oberfläche dem Graphit. Entfernt man diese oberen Atomlagen und setzt an die freien Bindungen andere Atome, so lässt sich die oberflächliche Leitfähigkeit nahezu nach Belieben verändern.
Während Sauerstoff als Abschluss beispielsweise die Leitfähigkeit eher noch verschlechtert, lässt oberflächlicher Wasserstoff die Elektronen weitaus besser fließen. Das nutzten Jose Garrido vom Walter Schottky Institut der Technischen Universität München und seine Kollegen nun, um einen so genannten Feldeffekttransistor (FET) herzustellen.
So ein FET ist ein Halbleiterbauelement, das zur Verstärkung und Steuerung von Signalen dient. Im Gegensatz zu anderen Transistoren ist beim FET nur eine Ladungsträgerart am Stromtransport beteiligt. Dabei fließt der Strom durch einen dünnen Halbleiterkanal zwischen zwei metallischen Anschlüssen - dem Source- und dem Drain-Kontakt. In der Regel lässt sich die Leitfähigkeit dieses Halbleiterkanals über die Spannung an einem dritten Kontakt, dem Gate, steuern. Im Prinzip verhält sich ein FET ähnlich wie ein Schlauch, bei man die hindurchströmende Wassermenge durch den Fußdruck auf den Schlauch steuert.
Der leitende Kanal des Diamanten-Feldeffekttransistors besteht nun aus der hydrogenierten Kohlenstoffoberfläche des Diamanten, zwei Aluminium-Elektroden bilden die Source- und Drain-Zuleitung und zwei weitere Elektroden zu beiden Seiten des Kanals den Gate-Kontakt. Um letzteren von dem Kanal zu isolieren, wurden zwei 100 Nanometer dünne Linien zwischen dem Kanal und den beiden Elektroden von Wasserstoff befreit und stattdessen mit Sauerstoff besetzt - sozusagen die Gummiwand des Wasserschlauchs. Durch Anlegen einer Spannung über dem Gate-Kontakt ließ sich dann tatsächlich der leitende Querschnitt des Kanals zwischen einem Mikrometer und 100 Nanometer problemlos steuern und damit auch der Stromfluss durch Kanal regeln.
Die Idee des planen, zweidimensionalen Transistors ließ sich also erfolgreich umsetzen. Aber dabei allein muss es nicht bleiben, weitere Bauelemente sind denkbar, bei denen die Dimensionalität weiter eingeschränkt wird. Nicht zuletzt aufgrund der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und der guten Verträglichkeit mit biologischem Gewebe lässt sich so manche Anwendung im Bereich der Hochleistungs- beziehungsweise der Bioelektronik ausmalen. Besonders günstig wird die Technik jedoch sicherlich nicht, denn schließlich übertreffen Diamanten auch in einer weiteren Eigenschaft die meisten anderen Materialien: im Preis.
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