Kleinere und schnellere elektronische Geräte ermöglichen Erster funktionaler Halbleiter aus Graphen

Die Entdeckung kommt zu einer Zeit, in der Silizium, das Material, aus dem fast alle modernen elektronischen Geräte hergestellt werden, angesichts immer schnellerer Computer und kleinerer elektronischer Geräte an seine Grenzen stößt. Walter de Heer, Regents' Professor für Physik an der Georgia Tech, leitete ein Team von Forschern in Atlanta, Georgia, und Tianjin, China, das einen Graphen-Halbleiter herstellte, der mit herkömmlichen mikroelektronischen Verarbeitungsmethoden kompatibel ist - eine Notwendigkeit für jede brauchbare Alternative zu Silizium.

In dieser neuesten Forschungsarbeit haben de Heer und sein Team die größte Hürde überwunden, die die Graphenforschung seit Jahrzehnten plagt und der Grund dafür ist, dass viele dachten, Graphenelektronik würde niemals funktionieren. Die so genannte „Bandlücke“ ist eine entscheidende elektronische Eigenschaft, die es Halbleitern ermöglicht, sich ein- und auszuschalten. Graphen hatte keine Bandlücke - bis jetzt.

De Heer begann schon früh in seiner Karriere, Materialien auf Kohlenstoffbasis als potenzielle Halbleiter zu erforschen, und wechselte dann 2001 zu 2D-Graphen. Er wusste schon damals, dass Graphen ein Potenzial für die Elektronik hat. „Wir waren von der Hoffnung beseelt, drei besondere Eigenschaften von Graphen in die Elektronik einbringen zu können“, sagt er. „Es ist ein extrem robustes Material, das sehr große Ströme verarbeiten kann, ohne sich zu erhitzen und auseinanderzufallen.“

De Heer gelang ein Durchbruch, als er und sein Team herausfanden, wie man Graphen auf Siliziumkarbid-Wafern in speziellen Öfen wachsen lassen kann. Sie stellten epitaktisches Graphen her, das heißt eine einzelne Schicht, die auf einer Kristallfläche des Siliziumkarbids wächst. Das Team stellte fest, dass sich das epitaktische Graphen bei richtiger Herstellung chemisch mit dem Siliziumkarbid verband und erste halbleitende Eigenschaften zeigte.

Wie sie es geschafft haben

In seiner natürlichen Form ist Graphen weder ein Halbleiter noch ein Metall, sondern ein Halbmetall. Bei einer Bandlücke handelt es sich um ein Material, das ein- und ausgeschaltet werden kann, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird - so funktionieren alle Transistoren und die Siliziumelektronik. Die wichtigste Frage bei der Erforschung der Graphenelektronik war, wie man es ein- und ausschalten kann, damit es wie Silizium funktioniert.

Um einen funktionsfähigen Transistor herzustellen, muss ein halbleitendes Material jedoch stark manipuliert werden, was seine Eigenschaften beeinträchtigen kann. Um zu beweisen, dass ihre Plattform als brauchbarer Halbleiter funktionieren könnte, musste das Team ihre elektronischen Eigenschaften messen, ohne sie zu beschädigen.

Sie brachten Atome auf dem Graphen an, die dem System Elektronen „spenden“ - eine Technik, die als Dotierung bezeichnet wird und mit der festgestellt werden soll, ob das Material ein guter Leiter ist. Es funktionierte, ohne das Material oder seine Eigenschaften zu beschädigen.

Die Messungen des Teams ergaben, dass ihr Graphen-Halbleiter eine 10-mal höhere Mobilität aufweist als Silizium. Mit anderen Worten: Die Elektronen bewegen sich mit sehr geringem Widerstand, was sich in der Elektronik in einer schnelleren Rechenleistung niederschlägt. „Das ist so, als würde man auf einer Schotterpiste fahren und nicht auf einer Autobahn“, sagte de Heer. „Es ist effizienter, erwärmt sich nicht so stark und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, so dass sich die Elektronen schneller bewegen können“.

Das Produkt des Teams ist derzeit der einzige zweidimensionale Halbleiter, der alle erforderlichen Eigenschaften für die Verwendung in der Nanoelektronik aufweist, und seine elektrischen Eigenschaften sind allen anderen 2D-Halbleitern, die derzeit entwickelt werden, weit überlegen.

„Ein langjähriges Problem in der Graphenelektronik ist, dass Graphen nicht die richtige Bandlücke hat und sich nicht im richtigen Verhältnis ein- und ausschalten lässt“, so Ma. „Im Laufe der Jahre haben viele versucht, dieses Problem mit einer Vielzahl von Methoden zu lösen. Unsere Technologie erreicht die Bandlücke und ist ein entscheidender Schritt bei der Realisierung von Graphen-basierter Elektronik.“

Vorwärtskommen

Epitaktisches Graphen könnte einen Paradigmenwechsel im Bereich der Elektronik bewirken und völlig neue Technologien ermöglichen, die sich seine einzigartigen Eigenschaften zunutze machen. Das Material ermöglicht es, die quantenmechanischen Welleneigenschaften von Elektronen zu nutzen, was eine Voraussetzung für Quantencomputer ist.

„Unsere Motivation für die Graphenelektronik war schon lange vorhanden, der Rest war nur noch die Umsetzung“, sagte de Heer. „Wir mussten lernen, wie man das Material behandelt, wie man es immer besser macht und wie man schließlich die Eigenschaften misst. Das hat sehr, sehr lange gedauert.“

Laut de Heer ist es nicht ungewöhnlich, dass eine weitere Generation von Elektronik auf dem Weg ist. Vor Silizium gab es Vakuumröhren, und davor gab es Drähte und Telegrafen. Silizium ist nur einer von vielen Schritten in der Geschichte der Elektronik, und der nächste Schritt könnte Graphen sein.

„Für mich ist das wie der Moment der Gebrüder Wright“, sagte de Heer. „Sie bauten ein Flugzeug, das 300 Fuß durch die Luft fliegen konnte. Aber die Skeptiker fragten, warum die Welt das Fliegen brauchen sollte, wenn sie doch schon schnelle Züge und Schiffe hatte. Aber sie blieben hartnäckig, und es war der Beginn einer Technologie, die Menschen über Ozeane bringen kann.“

Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.