Nanoelektronik: Zwergenlogik
Siliziumbasierte Transistoren und mikroelektronische Schaltungen haben unser Leben gewaltig umgekrempelt. Ähnliche Auswirkungen erwarten viele von den hundert- bis tausendmal kleineren Kohlenstoff-Ketten der Nanotechnik. Noch warten alle auf den Durchbruch. Doch möglicherweise läuten erste Labormuster nun die neue Ära ein.
C-N-T und S-E-M, C-V-D und F-I-B, manche wissenschaftliche Arbeiten lesen sich wie Strophen aus einem Liedertext der deutschen Hip-Hop-Band "Die Fantastischen Vier", die sich in ihrem Song "mfg" über den Aküfi – den Abkürzefimmel – amüsieren. Mit den Pamphleten aus den Laboratorien der ganzen Welt, die häufig solche sprachlichen Kastrate verwenden, ist es zudem oft ähnlich wie mit den Live-Konzerten von den Fanta-4-Sängern Andy, Michi Beck, Smudo und Thomas D: Sie sind meist kaum zu verstehen. Doch manchmal befindet sich ein Hit darunter.
Eine solche beachtenswerte Arbeit legten nun vier amerikanische Ingenieure vor: Prabhakar Bandaru, Chiara Daraio und Sungho Jin von der Universität von Kalifornien in San Diego sowie Apparao Rao von der Universität Clemson. Sie untersuchten die elektrischen Eigenschaften Y-förmiger, mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Wissenschaftler nennen sie CNTs, was für Carbon Nano Tubes steht, respektive MWNTs, was darauf hindeuten soll, dass die Nano-Tubes mehrwandig (multi walled; MW) sind.
Die Ergebnisse der fantastischen vier Wissenschaftler brauchen sich jedoch nicht hinter dem Laborslang zu verstecken. Nach eigenen Angaben ist es ihnen als weltweit erste Arbeitsgruppe gelungen, mit diesen winzig kleinen Kohlenstoff-Röhrchen verschiedene elektrische Schaltung zu bauen: darunter logische Schalter sowie Transistoren.
Das bedeute einen entscheidenden Schritt weg von der heute siliziumbasierten Mikroelektronik hin zu einer echten kohlenstoffbasierten Nanoelektronik, die um einige Größenordnungen kompaktere Bauelemente zulässt als heute – sprachlich zumindest um den Faktor drei. Zudem lässt sich nach Angaben der Wissenschaftler die Gabelung der Y-förmigen Kohlenstoff-Röhre bei geeigneter Konstruktion eventuell sogar als so genannter Quantenpunkt nutzen, der zentraler Bestandteil für die Speicherung von Informationen in einem Quantencomputer wäre.
Ihre zweizackigen Nanogabeln gewannen die Forscher durch ein in der Fachwelt übliches Verfahren, das sich chemische Gasphasenabscheidung nennt – oder im Fachjargon: Chemical Vapor Deposition, kurz CVD. Mit Hilfe gebündelter Ionenstrahlen (Focused Ion Beams; FIB) verknüpften die Ingenieure die jeweiligen Enden der verzweigten Nanostruktur dann mit Gold-Kontakten, um deren elektrische Eigenschaften wie Widerstand oder Leitfähigkeit zu prüfen.
So konnten sie nach eigenen Angaben beispielsweise erstmalig experimentell nachweisen, dass sich der Stromfluss durch die beiden Äste der Nanoröhrchen steuern lässt, wenn man am Stamm eine Spannung anlegt. Je nach tatsächlich untersuchter Struktur reicht ein Wert zwischen zwei und vier Volt aus, um den Ladungstransport sogar gänzlich zu unterbinden.
Dieses Verhalten erweist sich zudem als asymmetrisch. Das heißt, es ist ein Unterschied, ob am Stamm eine positive oder negative Spannung anliegt. Eine derartige Struktur ließe sich demnach als elektrischer Ein- oder Ausschalter nutzen.
Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass die Nanostruktur als logisches UND arbeitet. Wenn eine der Spannungen an den Ästen negativ ist – was rechnertechnisch mit einer logischen Null verknüpft sein kann –, so liegt ebenso am Stamm eine negative Spannung an. Einen positiven Wert am Stamm – was dann der logischen Eins entspräche –, ergibt sich ausschließlich, falls an beiden Ästen eine positiv Spannung anliegt.
Zwar geben die Wissenschaftler zu, noch nicht alle Einzelheiten dieses Verhaltens der untersuchten Nanostrukturen gezielt steuern zu können. Für die bedarfsgerechte Feinjustierung dieser Funktionen wäre die präzise Herstellung der genauen Geometrie der einzelnen Arme mit jeweils gewünschten Längen sowie eine geeignete Dotierungen mit Fremdatomen notwendig. Doch sind die dazu benötigten Techniken erst im Entwicklungsstadium.
Dennoch haben die Forscher nun bereits zeigen können, dass sich derlei verzweigte Nanoröhrchen im Prinzip für elektronische Schaltungen eignen. Die Tür hin zu nanoelektronischen Welt glauben sie damit einen großen Spalt weit aufgestoßen zu haben.
Eine solche beachtenswerte Arbeit legten nun vier amerikanische Ingenieure vor: Prabhakar Bandaru, Chiara Daraio und Sungho Jin von der Universität von Kalifornien in San Diego sowie Apparao Rao von der Universität Clemson. Sie untersuchten die elektrischen Eigenschaften Y-förmiger, mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Wissenschaftler nennen sie CNTs, was für Carbon Nano Tubes steht, respektive MWNTs, was darauf hindeuten soll, dass die Nano-Tubes mehrwandig (multi walled; MW) sind.
Die Ergebnisse der fantastischen vier Wissenschaftler brauchen sich jedoch nicht hinter dem Laborslang zu verstecken. Nach eigenen Angaben ist es ihnen als weltweit erste Arbeitsgruppe gelungen, mit diesen winzig kleinen Kohlenstoff-Röhrchen verschiedene elektrische Schaltung zu bauen: darunter logische Schalter sowie Transistoren.
Das bedeute einen entscheidenden Schritt weg von der heute siliziumbasierten Mikroelektronik hin zu einer echten kohlenstoffbasierten Nanoelektronik, die um einige Größenordnungen kompaktere Bauelemente zulässt als heute – sprachlich zumindest um den Faktor drei. Zudem lässt sich nach Angaben der Wissenschaftler die Gabelung der Y-förmigen Kohlenstoff-Röhre bei geeigneter Konstruktion eventuell sogar als so genannter Quantenpunkt nutzen, der zentraler Bestandteil für die Speicherung von Informationen in einem Quantencomputer wäre.
Ihre zweizackigen Nanogabeln gewannen die Forscher durch ein in der Fachwelt übliches Verfahren, das sich chemische Gasphasenabscheidung nennt – oder im Fachjargon: Chemical Vapor Deposition, kurz CVD. Mit Hilfe gebündelter Ionenstrahlen (Focused Ion Beams; FIB) verknüpften die Ingenieure die jeweiligen Enden der verzweigten Nanostruktur dann mit Gold-Kontakten, um deren elektrische Eigenschaften wie Widerstand oder Leitfähigkeit zu prüfen.
So konnten sie nach eigenen Angaben beispielsweise erstmalig experimentell nachweisen, dass sich der Stromfluss durch die beiden Äste der Nanoröhrchen steuern lässt, wenn man am Stamm eine Spannung anlegt. Je nach tatsächlich untersuchter Struktur reicht ein Wert zwischen zwei und vier Volt aus, um den Ladungstransport sogar gänzlich zu unterbinden.
Dieses Verhalten erweist sich zudem als asymmetrisch. Das heißt, es ist ein Unterschied, ob am Stamm eine positive oder negative Spannung anliegt. Eine derartige Struktur ließe sich demnach als elektrischer Ein- oder Ausschalter nutzen.
Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass die Nanostruktur als logisches UND arbeitet. Wenn eine der Spannungen an den Ästen negativ ist – was rechnertechnisch mit einer logischen Null verknüpft sein kann –, so liegt ebenso am Stamm eine negative Spannung an. Einen positiven Wert am Stamm – was dann der logischen Eins entspräche –, ergibt sich ausschließlich, falls an beiden Ästen eine positiv Spannung anliegt.
Zwar geben die Wissenschaftler zu, noch nicht alle Einzelheiten dieses Verhaltens der untersuchten Nanostrukturen gezielt steuern zu können. Für die bedarfsgerechte Feinjustierung dieser Funktionen wäre die präzise Herstellung der genauen Geometrie der einzelnen Arme mit jeweils gewünschten Längen sowie eine geeignete Dotierungen mit Fremdatomen notwendig. Doch sind die dazu benötigten Techniken erst im Entwicklungsstadium.
Dennoch haben die Forscher nun bereits zeigen können, dass sich derlei verzweigte Nanoröhrchen im Prinzip für elektronische Schaltungen eignen. Die Tür hin zu nanoelektronischen Welt glauben sie damit einen großen Spalt weit aufgestoßen zu haben.
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