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Hochleistungsmaterial: Einfacher Trick macht Graphen noch schneller

Nanoribbons aus Graphen

Graphen ist schneller denn je: Forscher haben winzige Bänder erzeugt, durch die Elektronen fließen, ohne auf Widerstand zu stoßen. Die "Nanoribbons" genannten Bänder aus Kohlenstoff würden sich ähnlich verhalten wie ein Glasfaserkabel, das Licht weiterleitet, sagen die Wissenschaftler um Walt de Heer vom Georgia Institute of Technology in Pasadena. Diesen Effekt beobachteten die Forscher sogar noch bei üblicher Raumtemperatur.

Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einer einzigen Lage angeordnet sind und daher eine praktisch zweidimensionale Folie bilden. Schon länger ist bekannt, dass dieses Material besondere Eigenschaften erhält, wenn man es zusätzlich in extrem schmale Bänder von wenigen Milliardstel Metern schneidet. Allerdings verursachen die bisherigen Produktionsmethoden uneinheitliche Kanten – die Folien würden eher gerissen als geschnitten, sagt de Heer.

Nanoribbons aus Graphen
Nanoribbons aus Graphen | Die künstlerische Darstellung zeigt Elektronen, die auf nur 40 Nanometer breiten Bändern aus Graphen entlangrasen, ohne dass sie unterwegs gestreut werden. Durch ein besonderes Herstellungsverfahren gelang es den Forschern, die dünne Kohlenstoffschicht ausschließlich an den Kanten einer eingeätzten Rille zu erzeugen.

Mit seinem Team um Erstautor Jens Baringhaus von der Universität Hannover kamen die Wissenschaftler deshalb auf die Idee, die Nanoribbons an Ort und Stelle zu erzeugen. "Wir 'stricken' sie sozusagen direkt auf der Unterlage", erklärt de Heer. Dazu verwenden die Forscher Siliziumkarbid, ein Gemisch aus Silizium und Kohlenstoff. Erhitzt man es auf über 1000 Grad Celsius, verdampfen Siliziumatome an der Oberfläche und lassen Kohlenstoff zurück, der eine dünne Schicht bildet – das Graphen.

Wie die Forscher entdeckten, lässt sich der Entstehungsort genau beeinflussen, indem man in den Siliziumkarbidblock winzige Rillen ätzt. Das gelingt mit gängigen Produktionsverfahren der Mikrochipherstellung. Es zeigte sich, dass das Silizium offenbar bevorzugt dazu neigt, entlang der Schrägen zu verdampfen und dort Bänder mit perfekter Kante zu hinterlassen.

Highspeed-Effekt für künftige Elektronik

Und genau dort offenbarten sich auch die extremen Leitereigenschaften des Materials. Die Messungen ergaben, dass die Elektronen sogar das bislang laut theoretischen Berechnungen gültige Geschwindigkeitslimit um das Zehnfache übertrafen und sich mehr als tausendmal so schnell bewegten wie in typischen Nanoribbons, die andere Forscher erzeugt hatten.

Wie es zu diesem Highspeed-Effekt kommt, ist den Forschern noch ein Rätsel. Sie gehen bislang davon aus, dass die Ladungsteilchen das Band völlig ungehindert passieren, also nicht an Hindernissen gestreut werden. Die Forscher entdeckten, dass der Widerstand innerhalb der Bänder weder von der Temperatur abhängig war noch von der Ladungsmenge, die das Team durchleitete. Die Elektronen scheinen sich daher ganz ähnlich wie Photonen im Glasfaserkabel zu bewegen – die Forscher sprechen von einem "ballistischen" Elektronentransport, der über Distanzen von bis zu 16 Mikrometern aufrechterhalten bleibt und den man deshalb möglicherweise auch auf Computerchips ausnutzen könnte.

Sollte man Material mit einem außergewöhnlich geringen Widerstand tatsächlich in der Elektronik einsetzen können, hätte dies laut de Heer zwei Vorteile: Zum einen würde der Prozessor sich weniger aufheizen und ließe sich energiesparender betreiben, und zum anderen erlaubt es, die Taktfrequenz stark zu erhöhen. Mit Computern im Gigahertzbereich sei das mit Silizium Machbare bereits ausgereizt, erläutert er. Allerdings müssten dazu völlig neuartige Schaltungen entwickelt werden. Aber, so de Heer weiter, "wir haben bereits die Möglichkeit, diese Elektronen zu lenken, und wir kennen rudimentäre Methoden, um mit ihnen zu schalten".

6. KW 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 6. KW 2014

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