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Kohlenstoff-Cannelloni – die kommenden Chips?

Winzige Röhrchen aus aufgerollten Graphit-Schichten können als Transistoren fungieren. Öffnen sie das Tor zur Nano-Elektronik der Zukunft?


Als die Elektronen die hohe Schule der Dressur erlernten, half man ihnen mit riesigen evakuierten Röhren auf die Sprünge. Die zu Anfang des Jahrhunderts entwickelten Verstärkerelemente bildeten die Grundlage der Rundfunktechnik. Nach den Röhren kamen die Transistoren aus Halbleitermaterialien wie Silicium oder Germanium, deren beständig schrumpfende Dimensionen die rasante Entwicklung der Computertechnik ermöglichten. Doch nun sieht es fast so aus, als könnte das Silicium wiederum von Röhren abgelöst werden – freilich nicht von den einstigen Ungetümen, sondern von sehr sehr kleinen und feinen: Nanoröhren aus aufgerollten Graphitschichten.

Diese Kohlenstoff-Cannelloni sind, wissenschaftshistorisch gesehen, wiederum nichts anderes als extrem in die Länge gezogene Miniaturfußbälle. Wolfgang Krätschmer und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg hatten im Jahre 1990 ein Rezept entdeckt, nach dem Hohlkugeln aus 60 Kohlenstoffatomen, die sogenann- ten (Buckminster-)Fullerene, in großen Mengen im Graphit-Lichtbogen hergestellt werden können. Damit lösten sie eine beispiellose Welle der Begeisterung für die winzigen fußballähnlichen Moleküle aus (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1991, Seite 88) – ein Phänomen, das schon wenige Jahre später mittels statistischer Modelle der Epidemieforschung beschrieben werden konnte.

Einer der vom Fullerenfieber angesteckten Forscher, Sumio Iijima von der Firma NEC im japanischen Tsukuba, variierte Krätschmers Rezept und erhielt statt der Fußbälle langgestreckte Fasern. Sie entpuppten sich auf elektronenmikroskopischen Bildern als ineinandergesteckte Graphit-Zylinder, deren Enden jeweils durch fullerenartig abgerundete Kohlenstoffnetze verschlossen waren.



Metall oder Halbleiter?


Gewöhnlicher Graphit verhält sich in Ebenen parallel zu den Kohlenstoffschichten als Leiter, senkrecht dazu hingegen als Isolator. Ist eine solche Schicht nun zu einer engen Röhre zusammengerollt, könnte man naiv vermuten, daß sie in Richtung der Röhrenachse weiterhin leitend wäre, während die Elektronen in der Rollrichtung nur wirkungslos im Kreis liefen. In Wirklichkeit liegen die Dinge jedoch sehr viel komplizierter – aus geometrischen wie quantenmechanischen Gründen.

Wer einen Teppich einrollt und dabei nicht aufpaßt, erhält statt der gewünschten kompakten Rolle mit glatten Enden leicht eine schief gewickelte "Tüte". Analog kann man ein Wabennetz aus Sechsecken in viele verschiedene Richtungen eindrehen. Schneidet man die entstehende Röhre dann quer in der Mitte durch, bilden die Kanten der aufgeschlitzten Waben jeweils ein charakteristisches Muster. Es besteht zum Beispiel aus einer einfachen Zickzacklinie, wenn das Netz parallel zu einer Sechseckseite eingerollt wird, oder aus einer Art Sesselkontur, wenn man es längs einer Verbindungslinie zwischen übernächsten Ecken aufwickelt (Bild 1).

Nur in diesen beiden Fällen ist die Röhre rotationssymmetrisch bezüglich der Wabenstruktur: Die Zickzacklinie schließt sich zum (verbeulten) Kreis, wenn man sie den Röhrenumfang entlang verfolgt; dasselbe gilt für das Sesselmuster. Bei jedem anderen Winkel ergibt sich dagegen eine spiralförmig aufsteigende Linie wie bei einer Wendeltreppe. Dies hat eine interessante Konsequenz. So wie es Schrauben mit Rechts- und Linksgewinde gibt, existieren auch die schief gewickelten Nanoröhren jeweils in zwei spiegelbildlichen Formen – sie sind, wie die Chemiker sagen, händig oder chiral.

Demnach sind Nanoröhren nicht nur durch ihren Durchmesser, sondern auch durch ihren Aufrollwinkel charakterisiert. Den Berechnungen der Theoretiker zufolge sollten beide Parameter die elektrische Leitfähigkeit entscheidend beeinflussen, da die Bewegung der Elektronen im engen Raum einer winzigen Röhre strikten quantenmechanischen Beschränkungen unterliegt. Dies eröffnete die faszinierende Aussicht, aus ein und demselben Material – graphitartigem Kohlenstoff – nur durch Änderung etwa des Aufrollwinkels nach Belieben Leiter oder Halbleiter herstellen zu können.

Nun ist es bisher allerdings nicht gelungen, gezielt Nanoröhren zu erzeugen, die einen einheitlichen Durchmesser haben und in einer bestimmten Richtung aufgewickelt sind. Zudem läßt sich der Aufrollwinkel nur feststellen, wenn man die Röhre mit atoma- rer Auflösung betrachtet. Wegen dieser Schwierigkeiten dauerte es einige Zeit, bis sich die theoretische Vorhersage experimentell verifizieren ließ. Doch Anfang dieses Jahres kamen gleich von zwei Arbeitsgruppen Erfolgsmeldungen – einer unter Cees Dekker von der Technischen Universität Delft und dem mit dem Chemie-Nobelpreis 1996 ausgezeichneten Co-Entdecker der Fullerene Richard Smalley von der Rice-Universität in Houston (Texas), der anderen unter Charles M. Lieber von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) ("Nature", Band 391, Seiten 59 bis 62, sowie 62 bis 64).

Beide Teams erzeugten eine Mischung aus einwandigen Nanoröhren, die jeweils nur aus einem statt aus mehreren ineinandergeschachtelten Kohlenstoff-Zylindern bestanden. Darin pickten sie einzelne Exemplare heraus, betrachteten sie mit dem Rastertunnelmikroskop und ermittelten so den Aufrollwinkel – wobei sie die verschiedensten Werte fanden. Anschließend maßen sie jeweils eine Strom-Spannungskurve. Beide Gruppen stellten übereinstimmend fest, daß die Nanoröhren tatsächlich je nach Aufrollwinkel metallisch leitend waren oder eine mehr oder weniger breite Bandlücke – eine für Elektronen verbotene Zone – aufwiesen, wie sie für Halbleiter charakteristisch ist.



Nanoröhren-Transistoren


Nur fünf Monate später gelang der Delfter Arbeitsgruppe schon der nächste Schritt auf dem Weg zu einer Nano-Elektronik. Indem Dekker und seine Mitarbeiter einfach eine halbleitende Röhre quer über zwei Platinelektroden legten, erhielten sie einen Feldeffekt-Transistor. Bei diesem Schaltelement wird der Stromfluß zwischen zwei Punkten (Quelle und Senke) durch die Spannung gesteuert, die an einem dritten Kontakt (Gatter) anliegt – in diesem Falle der Unterlage aus Silicium, das mit einer isolierenden Oxidschicht überzogen war. Leitfähigkeitsmessungen an der Anordnung aus Platinelektroden und halbleitenden Nanoröhren ergaben die typischen nichtlinearen Strom/Spannungskurven, in welche die am Gatter anliegende Spannung als Exponent eingeht.

Zur Kontrolle führten die Forscher dasselbe Experiment mit metallisch leitenden Nanoröhren durch. In diesem Falle hing der Stromfluß linear von der Spannung zwischen Quelle und Senke ab und war unabhängig von derjenigen am Gatter. Bemerkenswerterweise funktioniert der Transistor nur mit negativen Gatterspannungen. Wird die Halbleiter-Röhre gegenüber der Unterlage positiv aufgeladen, verhält sie sich plötzlich genauso wie ihr metallisches Gegenstück, nämlich schlicht als Ohmscher Widerstand.

Bislang ließ sich die elektronische Grundlage dieses Transistors noch nicht exakt erklären – es gibt lediglich qualitative Modellvorstellungen, die auf Ähnlichkeiten mit herkömmlichen Schaltelementen beruhen. Für den praktischen Einsatz ist ein genaueres theoretisches Verständnis jedoch unerläßlich.

Erhebliche Entwicklungsarbeit muß ferner in die Einbindung der Nanoröhren in miniaturisierte Schaltkreise gesteckt werden. Benötigt wird ein Verfahren, mit dem sich möglichst viele Kohlenstoff-Röllchen auf engstem Raum anordnen und mit elektrischen Anschlüssen verbinden lassen. Diesen potentiellen Schwierigkeiten steht jedoch die Verheißung gegenüber, aus sehr kleinen molekularen Arrangements mit nur einer Atomsorte eine Vielfalt von elektronischen Bauteilen mit verbesserten oder gar völlig neuartigen Eigenschaften zu erhalten.

Wird der Nanoröhren-Transistor eines Tages sein heutiges Gegenstück auf Halbleiterbasis ausstechen? Bisher wurde lediglich demonstriert, daß er im Prinzip funktioniert. Der Prototyp ist mehrere hundert Nanometer lang und liegt damit in einem Größenbereich, in dem man genausogut Siliciumschaltelemente verwenden kann. Außerdem lassen sich mit den gängigen Herstellungsverfahren für Mikrochips die Transistoren und ihre Verschaltungen praktisch gleichzeitig erzeugen, während bei den hohlen Kohlenstoff-Stäbchen erst nachträglich die richtigen Anschlüsse geschaffen werden müßten.

Nanoröhren in integrierte Schaltkreise einzubauen, die mit herkömmlicher Chip-Technik hergestellt wurden, dürfte anwendungstechnisch wenig Sinn ergeben. In ferner Zukunft könnten jedoch molekulare Transistoren, die mit molekularen Drähten verbunden sind, die Grundlage einer neuartigen Nano-Elektronik bilden. Sicher ist, daß die Miniaturisierung bei herkömmlichen Halbleitertechniken irgendwann an eine Grenze stößt. Wenn eine molekulare Elektronik diese Grenze zu überwinden vermag, könnten Nanoröhren tatsächlich das Erbe der Siliciumchips antreten.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1998, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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