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Nanoelektronik : Guter Ersatz fürs Silizium

  • -Aktualisiert am

Dieser Wafer enthält Computerchips auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Bild: Norbert von der Groeben

Der Computer von morgen wird nicht mehr aus Silizium bestehen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Drähte aus DNA gelten als aussichtsreiche Materialien für künftige Elektronikhirne.

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          In der Halbleiterindustrie gibt das Mooresche Gesetz den Takt vor, wie schnell die Leistungsfähigkeit von Prozessoren wächst: Alle 18 Monate, so die Regel, verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Computerchip. Dadurch können immer größere Datenmengen immer schneller verarbeitet werden. Allerdings stößt bei fortschreitender Miniaturisierung die herkömmliche Fertigungstechnik allmählich an ihre Grenzen.

          Um die Entwicklung weiter voranzutreiben, setzen viele Forscher inzwischen verstärkt auf die Nanotechnik und versuchen, elektronische Schaltkreise aus einzelnen Molekülen und kleinen Baueinheiten zusammenzusetzen. Aussichtsreiche Kandidaten dafür sind neben Nanoröhrchen aus Kohlenstoff solche aus DNA. Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der TU Dresden haben nun ein elegantes Verfahren vorgestellt, mit dem sich diese winzigen Zylinder auf einem Siliziumwafer gezielt anordnen lassen.

          DNA-Stränge in Reih und Glied

          Die Forscher um Adrian Keller bedienten sich bei ihren Experimenten mehrfach dem Prinzip der Selbstorganisation. Sie schufen Rahmenbedingungen und ließen dann der Natur ihren Lauf. Das betraf sowohl die Herstellung der DNA-Nanoröhrchen als auch die Art und Weise, wie sich diese auf der Siliziumoberfläche anordneten. Als Ausgangsmaterial verwendeten die Wissenschaftler fadenförmige Stränge der Erbsubstanz, die sie sich mit kürzeren DNA-Abschnitten paarten und von selbst zu zylindrischen Gebilden falteten. Diese als DNA-Origami bezeichnete Technik beruht auf der Bindung zwischen komplementären Basen und läuft ohne weiteres Zutun ab, wenn passende Basensequenzen aufeinandertreffen.

          Anschließend präparierten Keller und seine Kollegen einen herkömmlichen Silizium-Wafer, indem sie ihn mit Ionen bestrahlten. Die Oberfläche erhielt dadurch eine regelmäßig gewellte Struktur, die im Mikroskop wie ein mit Rippen versehener Sandstrand nach Ablaufen der Flut erscheint. Auf den Wafer wurden sodann DNA-Röhrchen mit einer Länge von rund 400 Nanometern und einem Durchmesser von sechs Nanometern zusätzlich mit einer Salzlösung aufgebracht. Als man anschließend die gewellte Oberfläche mit Alkohol und Wasser abspülte blieben die DNA-Zylinder haften. Dabei richteten sie sich parallel zu den Rippen aus und schmiegten sich in die Wellentäler, wie Keller und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nanoscale“ berichten.

          DNA-Nanoröhrchen (rot hervorgehoben) auf einer nanostrukturierten Siliziumoberfläche.

          Besonders effektiv war die Ausrichtung, wenn die Furchen der Wellenlandschaft etwa dreißig Nanometer auseinander lagen. Dann, so haben die Physiker um Adrian Keller berechnet, wirkten sich die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Röhrchen und vorstrukturierter Oberfläche besonders vorteilhaft auf die Musterbildung aus. „Das Schöne an unsere Methode ist, dass wir der Natur einfach freien Lauf lassen können, sobald wir die nötigen Rahmenbedingungen geschaffen haben“, erklärt Adrian Keller den Vorteil des neuen Verfahren. Um die parallel angeordneten DNA-Zylinder in der Nanoelektronik verwenden zu können, müssen sie weiter funktionalisiert werden. Man könnte sie beispielsweise metallisieren oder mit einem Halbleitermaterial überziehen. Dies würde den Aufbau von winzigen Schaltkreisen ermöglichen, sind Keller und seine Kollegen überzeugt.

          Der erste Computer aus Kohlenstoff

          In welche Richtung es in der Nanoelektronik gehen könnte, haben kürzlich Forscher von der Stanford University in Palo Alto aufgezeigt. Subhasish Mitra und seine Kollegen haben den ersten rudimentären Computer gebaut, dessen Bausteine - Transistoren - vollständig aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen. Schon länger weiß man, dass man mit den mikrometerlangen und nanometerdicken zylindrischen Gebilden, die äußerst robust sind und halbleitende Eigenschaften besitzen, winzige elektrische Schalter, Dioden und komplexe logische Schaltungen verwirklichen kann.

          Nun haben die Forscher um Mitra mit ihrem Kohlenstoff-Rechner einen großen Fortschritt erzielt. Ihr Rechner besteht aus insgesamt 178 Transistoren, die zu elementaren logischen Gattern verschaltet sind. Seine Besonderheit ist, dass er zwei einfache Rechenoperationen gleichzeitig ausführen kann und wie sein Pendant aus Silizium ein Betriebssystem besitzt. Noch ist der Kohlenstoff-Computer, der in der Zeitschrift „Nature“ beschrieben wird, dem seinem Vorbild deutlich unterlegen. Denn er kann nur ein Bit nach dem anderen verarbeiten. Seine Leistungsfähigkeit entspricht somit wohl der eines Computers aus dem Jahr 1955. Es wird daher noch einige Zeit vergehen, bis ein konkurrenzfähiger Computer auf Basis von Kohlenstoff zur Verfügung steht.

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