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Nanotechnologie: Großer Chip mit kleinen Röhrchen

Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sollte eigentlich die elektronische Zukunft gehören. Eine Fülle hervorragender Eigenschaften macht sie dem herkömmlichen Silizium überlegen. Nur leider sind die Röhrchen bislang nicht über einfache Laborstudien hinausgekommen. Das könnte sich bald ändern - nun wurde ein Chip auf einem flexiblen Material mit ihnen entwickelt.
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Die Elektronik der Zukunft ist immer dabei. Das Handy steckt im Hemdenstoff, der Terminplaner auf einer zusammenrollbaren Folie, die Windschutzscheibe des Autos liefert wertvolle Informationen zur Fahrt und sicherlich noch mehr wertlose Informationen zu Produkten, ein Messgerät im Unterhemd überprüft derweil den Kreislauf des Fahrers, und die Fernbedienung für die heimische Multimediaanlage ist natürlich in das Sofa integriert. Eine rundum vernetzte Welt mit einer herausragenden Forderung an die Technik: Sie muss flexibel im biegsamen Sinne des Wortes sein.

Genau an dieser Stelle wird es schwierig für die bewährte Elektronik auf Basis von Silizium-Chips. Denn trotz aller Flexibilität in der Software, die rasend schnell auf ihnen läuft, sind die winzigen Schaltwunder aus mechanischer Sicht reichlich rigide Strukturen. Ein biegsames Notebook oder einen aufrollbaren Bildschirm wird es mit ihnen nicht geben. Ein Umdenken ist angesagt, wenn wir die Computer von morgen anziehen, falten und knüllen wollen.

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Schaltkreis aus Nanoröhrchen | Schaltkreis aus Nanoröhrchen: Das Material könnte als Grundlage für flexible Elektronika dienen.
Einen Ausweg aus dem Dilemma könnten die unlängst entdeckten Nanoröhrchen aus Kohlenstoff bieten. Diese winzigen Gebilde haben sich seit Mitte der 1990er Jahre zu den hoffnungsvollsten Jungstars der Materialforschung entwickelt. Grundsätzlich sehen sie aus wie stark geschrumpfte Strohhalme, deren Wände vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Die Atome bilden dabei ein bienenwabenartiges Gitter, denn jedes Atom bildet erstaunlicherweise nur zu drei seiner Nachbarn eine Bindung aus. Je nach Version erreichen die Röhrchen so Durchmesser zwischen einem und fünfzig Nanometern, werden einige Millimeter lang und sind ein- oder mehrwandig.

Vor allem aber haben Kohlenstoff-Nanoröhrchen ganz unerhörte Eigenschaften. Im Labor haben sie sich als rund 20-mal zugfester als Stahl erwiesen, obwohl sie fünfmal leichter sind. Sie vertragen größere elektrische Stromstärken als Kupferdrähte, leiten Wärme doppelt so gut wie Diamant, und sollten als Material für Transistoren besser und schneller schalten als Silizium. Ideale Voraussetzungen, um den betagten Halbleiter von seinem königlichen Elektronik-Thron zu stürzen.

Hilfreiche Längenbegrenzung

Wenn da nicht ein paar kleine Probleme mit den Röhrchen wären. Zum Einen verrät ihr Name bereits, dass sie ungeheuer klein und damit schwierig zu verarbeiten sind. Ideal wäre natürlich, die Röhrchen für jede Aufgabe genau ausgerichtet in eine Schaltung einzubauen. Ein Unterfangen, das im industriellen Maßstab kaum umzusetzen ist. Deshalb experimentieren Forscher meist eher mit ganzen Bündeln, in denen die Röhrchen mehr oder minder zufällig angeordnet sind. Doch hier macht sich eine zweite Schwierigkeit bemerkbar: Je nach dem genauen Aufbau verhalten sich manche Röhrchen wie gewünscht als Halbleiter, andere hingegen auf störend metallische Weise. Für elektronische Bauteile, wie beispielsweise Transistoren, sind aber unbedingt die Eigenschaften von Halbleitern notwendig.

In den Bemühungen, die Auswirkungen der metallischen Röhrchen zu vermindern, haben nun US-amerikanische Wissenschaftler um John Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign einen großen Schritt zu nutzbaren und günstigen Schaltkreisen gemacht. Anstatt die Störenfriede mühevoll aus dem Ensemble ihrer einwandigen Kohlenstoffröhrchen herauszusammeln, haben sie mit kleinen Schnitten in den Bahnen deren Längen begrenzt. Auf diese Weise machten sie aus einer einzigen breiten Verbindung mit Nanoröhrchen eine parallele Anordnung vieler schmaler Verbindungen. Mit dem Resultat, dass die zufällig angeordneten metallischen Röhrchen sich nicht mehr zu einer durchgehenden gewundenen Leiterbahn verbinden und so das Bauteil unbrauchbar machen konnten.

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Gebogener Schaltkreis | Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sind sehr flexibel und können in jede gewünschte Form gebogen werden – und bald als robuste wie biegsame Chips dienen.
Rogers Team konstruierte nach diesem Rezept Transistoren, logische Schaltungen und ganze Chips mit Schaltkreisen, die bis zu 88 Transistoren umfassten. Die elektrischen Eigenschaften waren dabei so gut, dass die Geräte Tausende von Schaltprozessen pro Sekunde bewältigten. Nicht genug, um Silizium sofort aus unseren Computern zu verdrängen, zumal die Nanoröhrchen-Chips auch noch mehrere Zentimeter groß sind. Aber ein ordentliches Zwischenergebnis, das die Leistungen der konkurrierenden organischen Elektronik eher mager aussehen lässt.

Und die Nanoröhrchen-Chips sind flexibel. Auf einen halben Zentimeter Durchmesser lassen sie sich zusammenrollen. Vielleicht reicht das aus, um in absehbarer Zukunft die Technik von morgen zu produzieren, denn die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre Methode sich mit einfacher Drucktechnologie umsetzen ließe. Dann könnten wir ab 2010 womöglich spektrumdirekt auf einem Display lesen, das aus dem Kugelschreiber gezogen wird ... Falls es dann noch Kugelschreiber geben sollte.
25.07.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25.07.2008

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