Bild eines 1,6 Nanometer breiten metallähnlichen Graphen-Nanobands (Graphen-Nanoband, GNR), aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop .
Transistoren, die eher auf Kohlenstoff als auf Silizium basieren, können Computer möglicherweise beschleunigen und ihren Stromverbrauch um mehr als das Tausendfache senken. Denken Sie beispielsweise an ein Mobiltelefon, das monatelang aufgeladen ist. Das Materialangebot zur Herstellung funktionierender Kohlenstoffketten ist jedoch bis heute unvollständig.
Ein Team von Chemikern und Physikern an der University of California in Berkeley hat endlich das letzte fehlende Element geschaffen - einen Draht, der vollständig aus Kohlenstoff besteht. Dies wiederum ebnete den Weg für die Erforschung von Transistoren auf Kohlenstoffbasis und letztendlich von Computern.
Felix Fischer, Professor für Chemie an der University of California in Berkeley, stellte fest, dass die Herstellung aller IC-Elemente aus einem einzigen Material die Herstellung erleichtern würde:
"Dies war einer der wichtigsten Punkte, die im Gesamtbild der Architektur von integrierten Schaltkreisen auf Kohlenstoffbasis fehlten."
Metalldrähte werden verwendet, um Transistoren in einem Computerchip zu verbinden - sie transportieren Strom von Gerät zu Gerät und verbinden Halbleiterelemente in einem Chipblock.
Die UC Berkeley-Gruppe arbeitet seit mehreren Jahren daran, Halbleiter und Isolatoren aus Graphen-Nanobändern herzustellen, bei denen es sich um schmale, eindimensionale Streifen aus Graphen handelt, die so dick wie ein Atom sind. Die Struktur dieser Nanobänder besteht vollständig aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen System angeordnet sind , das einem Drahtgeflecht ähnelt.
Während andere Materialien auf Kohlenstoffbasis wie 2D-Graphenschichten und Kohlenstoffnanoröhrenkann metallartig sein, sie haben ihre Nachteile. Wenn Sie beispielsweise eine 2D-Graphenschicht in nanometergroße Streifen umwandeln, können Sie diese in Halbleiter oder sogar Isolatoren umwandeln. Kohlenstoffnanoröhren, die ausgezeichnete Leiter sind, können nicht in großen Mengen mit der gleichen Präzision wie Nanobänder hergestellt werden.
„Mit Nanobändern können wir mithilfe von Bottom-up-Designs, die mit Nanoröhren noch nicht möglich sind, auf eine Vielzahl von Strukturen zugreifen“, sagte Michael Crommy, Professor für Physik an der Universität von Berkeley. „Dadurch konnten wir Elektronen miteinander verbinden, um ein leitfähiges Nanoband zu erzeugen, was wir vorher noch nicht getan hatten. Dies ist eine der großen Herausforderungen in der Graphen-Nanoband-Technologie, und deshalb freuen wir uns sehr darüber. "
Metallähnliche Graphen-Nanobänder haben ein breites, teilweise gefülltes elektronisches Band, das für Metalle charakteristisch ist und dessen Leitfähigkeit mit zweidimensionalem Graphen vergleichbar sein kann.
„Dies ist das erste Mal, dass wir aus Materialien auf Kohlenstoffbasis einen ultradünnen Leiter herstellen können, und dies ist ein echter Durchbruch“, fügte Fischer hinzu.
Crommy, Fisher und ihre Kollegen an der University of California, Berkeley und dem Berkeley National Laboratory veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Science-Ausgabe vom 25. September.
Integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis werden seit Jahrzehnten in Computern verwendet und nehmen gemäß Moores Gesetz regelmäßig an Geschwindigkeit und Leistung zu. Sie erreichen jedoch bereits ihre Geschwindigkeitsbegrenzung dafür, wie schnell sie zwischen "Einsen" und "Nullen" wechseln können. Es wird auch immer schwieriger, den Energieverbrauch zu senken. Computer verbrauchen bereits einen erheblichen Teil der weltweiten Energieerzeugung. Computer auf Kohlenstoffbasis können möglicherweise um ein Vielfaches schneller schalten als Siliziumcomputer und verbrauchen nur einen Bruchteil ihrer Energie, sagte Fisher.
Graphen, bei dem es sich um reinen Kohlenstoff handelt, war der führende Konkurrent für die nächste Generation von Computern auf Kohlenstoffbasis. Die schmalen Graphenstreifen sind jedoch hauptsächlich Halbleiter, und die Herausforderung bestand darin, sie auch als Isolatoren und Metalle einzusetzen, um Transistoren auf Kohlenstoffbasis zu bauen.
Vor einigen Jahren haben Fisher und Crommy gemeinsam mit dem Materialtheoretiker Stephen Louis, Professor für Physik an der University of California in Berkeley, neue Wege gefunden, um kleine Nanobandstücke zu verbinden und dabei alle leitenden Eigenschaften zu erhalten.
Vor zwei Jahren hat das Team gezeigt, dass durch die korrekte Verbindung kurzer Nanobandsegmente die Elektronen in jedem Segment positioniert werden können, um einen neuen topologischen Zustand - eine bestimmte Quantenwellenfunktion - zu erzeugen, der zu einstellbaren Eigenschaften des Halbleiters führt.
In ihrer neuen Arbeit verwenden sie eine ähnliche Technik, um kurze Segmente von Nanobändern zusammenzufügen, um einen leitfähigen metallähnlichen Draht zu erzeugen, der mehrere zehn Nanometer lang und nur einen Nanometer breit ist.
„Sie sind alle so konzipiert, dass sie nur auf eine Weise zusammenpassen. Es ist, als ob Sie eine Lego-Tasche nehmen, sie schütteln und ein fertig montiertes Auto haben “, sagte er. "Dies ist die Magie der Selbstorganisationskontrolle mit der Chemie."
„Durch die Chemie haben wir pro 100 Atome winzige Änderungen an einer chemischen Bindung vorgenommen und die Leitfähigkeit des Nanobands um das 20-fache erhöht. Und aus praktischer Sicht ist es wichtig, auf diese Weise guten Metal zu bekommen “, sagte Crommy.
"Ich glaube, diese Technologie wird die Art und Weise, wie wir in Zukunft integrierte Schaltkreise bauen, revolutionieren", sagte Fischer. „Dies wird ein großer Fortschritt in der Entwicklung und Herstellung von Elektronik sein, verglichen mit dem, was Sie derzeit von Silizium erwarten würden. Wir haben jetzt die Möglichkeit, eine schnellere Leistung mit viel weniger Stromverbrauch zu erzielen. Dies wird die treibende Kraft für die Zukunft der elektronischen Halbleiterindustrie sein. "