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Produktion von Nanoröhrchen : Kohlenstoff erobert die Elektronik

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Die Modellzeichnung zeigt, wie auf einer Platinoberfläche Kohlenstoff-Nanoröhrchen allmählich emporwachsen. Bild: Empa

Beginnt nun eine neue Miniaturisierungswelle? Ein Fortschritt bei der Massenproduktion perfekter Nanoröhrchen ist zumindest geschafft.

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          In der Mikroelektronik gibt das Mooresche Gesetz immer noch den Takt der Miniaturisierung vor. Es besagt, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppelt. Weil die fortschreitende Miniaturisierung allerdings immer schwieriger wird - die Strukturbreiten sind mittlerweile auf 22 Nanometer geschrumpft -, sucht man auch nach neuen Ansätzen, die ohne Silizium auskommen. Als heißer Kandidat für eine siliziumfreie Elektronik gilt Kohlenstoff. Zwar ist gewöhnlicher Kohlenstoff von Natur aus kein Halbleiter, man kennt aber eine Reihe von Nanostrukturen wie dünne Graphitschichten, winzige Zylinder oder Hohlkugeln, die vielversprechende Eigenschaften besitzen, die sich zur Herstellung von Bauelementen nutzen lassen.

          Zu den Hoffnungsträgern gehören zweifelsohne die Kohlenstoffnanoröhrchen, deren Wände aus Kohlenstoffatomen bestehen, die zu Sechsecken angeordnet sind. Diese Wabenstruktur kann entlang eines Röhrchens verschiedene Orientierungen annehmen: Man kennt Zickzack-, Sessel- und chirale Muster, die mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften einhergehen: Manche Röhrchen sind leitend wie ein Metall, andere halbleitend wie Silizium. Die halbleitenden Exemplare sind für die Elektronik von besonderem Interesse. Leider liefern die meisten Herstellungsverfahren eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Nanoröhrchen, was die breite Verwendung der Kohlenstoffzylinder noch immer erschwert. Doch das könnte sich bald ändern. Eine Gruppe von Schweizer und deutschen Wissenschaftlern haben einen vielversprechenden Weg gefunden, große Mengen an uniformen, halbleitenden Nanoröhrchen auf recht einfache Art und Weise zu synthetisieren.

          Wachsen auf einer Platinoberfläche

          Die Wissenschaftler erzeugen zunächst ein flaches Kohlenwasserstoff-Molekül aus insgesamt 150 Atomen. Dieses Molekül, das die Gestalt eines dreiachsigen Propellers hat, wird auf einer Platinoberfläche abgeschieden und dann auf rund 500 Grad erhitzt. Dabei spalten sich die Wasserstoffatome ab, und aus dem flachen Molekül faltet sich allmählich ein kleines kuppelartiges Gebilde aus der Oberfläche. In einem zweiten chemischen Prozess wird Ethylengas hinzugesetzt. Es liefert weitere Kohlenstoffatome, die sich an den Rand der Kuppel anlagern und diese allmählich von der Platinoberfläche emporheben. Darunter wächst das Nanoröhrchen allmählich in die Höhe. Durchmesser und Orientierung des zylindrischen Gebildes sind durch die Kuppelform vorgegeben.

          Auf diese Weise erhielten die Forscher um Roman Fasel vom Schweizer Forschungsinstitut Empa in Dübendorf und Martin Jansen sowie Konstantin Amsharov vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart bis zu 300 Nanometer lange Nanoröhrchen, die wie Borsten auf der Platinoberfläche angeordnet waren. Sämtliche Röhrchen waren Halbleiter und identisch im Aufbau. Auf einem Quadratzentimeter Platin wuchsen mehr als 100 Millionen solcher Kohlenstoffzylinder, berichten Fasel und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ (doi: 10.1038/nature13607).

          Schon zuvor neue Entwicklungen

          Halbleitende Nanoröhrchen aus Kohlenstoff gelten als vielversprechendes Material für die „siliziumfreie“ Mikroelektronik (F.A.Z. vom 18. Juni). Weil sich durch ein äußeres elektrisches Feld die Leitfähigkeit des Materials steuern lässt, kann man daraus Dioden und Transistoren herstellen. Und aufgrund ihrer Dimensionen ist eine weitere Miniaturisierung der Schaltelemente und -kreise möglich.

          Wie eine Elektronik aus Kohlenstoff aussehen könnte, haben Forscher vom IBM-Forschungszentrum Thomas J. Watson in Yorktown Heights (New York) vor zwei Jahren aufgezeigt. Hongsik Park und seine Kollegen präsentierten damals einen Computerchip, der mit 10.000 Nanoröhrchen-Transistoren bestückt war. Und an der Stanford-Universität haben Wissenschaftler im vergangenen Jahr einen kompletten Rechner aus Nanoröhrchen gebaut. Sein Herz besteht aus 178 Transistoren aus Kohlenstoff, und er kann einfache Operationen und Befehlssätze ausführen. Seine Leistung ist nach Ansicht von Subhasish Mitra und seinen Mitarbeitern vergleichbar mit einem Mikroprozessor der Firma Intel aus dem Jahr 1971.

          Gute Wärmeleiter

          Die winzigen Kohlenstoffzylinder sind auch recht gute Wärmeleiter. Das ist von großem Vorteil. Denn herkömmliche Siliziumelektronik produziert große Mengen an Abwärme. Diese muss mit Lüftern oder Kühlflüssigkeiten abgeführt werden. Eine auf Kohlenstoff basierende Elektronik heizt sich dagegen weitaus weniger auf - was auch den Stromverbrauch senken würde.

          Neben der Massenproduktion sortenreiner Nanoröhrchen stellt die präzise Plazierung derselben auf einem Chip eine weitere Herausforderung dar. Häufig wird mit strukturierten Unterlagen gearbeitet, in deren Rillen oder Rippen sich die kleinen Zylinder parallel ausrichten. Sind die Nanoröhrchen wie bei den jetzt vorgestellten Forschungsarbeiten vertikal gewachsen, kann man diesen Umstand jedoch gezielt ausnutzen und eine vertikale Transistorenstruktur aufbauen, bei der die Elektroden übereinandergeschichtet sind. Die Dimensionen eines Transistors schrumpften so auf eine minimale Grundfläche, und die Strukturbreiten wären nicht mehr durch die lithographischen Möglichkeiten begrenzt, sondern über die Dicke der Schichten exakt einstellbar.

          Angesichts der Herausforderungen hat der Computerhersteller IBM soeben ein Sonderforschungsprogramm aufgelegt, das die Nanoröhrchenchips weiter voranbringen soll. Schon bald, nach dem Jahr 2020, so die Ankündigung, soll die siliziumfreie Mikroelektronik die konventionelle Computertechnik ablösen. Nach dem Mooreschen Gesetz dürften die kleinsten Strukturen auf einem Chip dann nur noch fünf Nanometer messen. Mit Silizium ist dies nicht zu schaffen, darüber herrscht große Einigkeit unter den Fachleuten.

          Eine Universalwaffe der Nanomedizin? Sie sind offenbar gut verträglich, biokompatibel und vielfältig einsetzbar, potentiell also die Jutesäcke der Nanomedizin: Nanoporphyrine. Sie könnten in den Biowissenschaften das werden, was Nanoröhrchen nun für die Elektronik zu werden versprechen. Über die ersten umfassenden Tests mit den mutmaßlichen Allzweckwaffen im Reagenzglas und in Tieren berichteten jetzt Forscher um Yuanpei Li von der University of California in Davis in der Zeitschrift „Nature Communications“ (doi: 10.1038/ncomms5712). Die Nanoporphyrine sind gut 32 Millionstel Millimeter groß, ideal, um in Tumore einzudringen und als Wirkstofftransportmittel zu dienen, aber auch chemisch so aufgebaut, dass sie sich als Kontrastmittel für eine neue Art von Bildgebung eignen. Zusammengesetzt sind sie aus zwei organischen Basisstrukturen und einer körpereigenen Stützverbindung: Porphyrine, also Moleküle wie Hämoglobin oder Chlorophyll, die aus vier Pyrrol-Ringen aufgebaut sind, und Cholsäure, die zu den primären Gallensäuren zählt, bilden das Gerüst. Durch die Zugabe der Aminosäure Cystein wird die Stabilität des Konstrukts reguliert. In den Experimenten hat sich gezeigt, dass die Nanokugeln mit Licht oder Glutathion aktiviert werden. So hat man etwa das Zellgift Doxorubicin gezielt in Tumorgewebe freigesetzt. Außerdem produzieren die Nanoporphyrine unter Licht selbst Sauerstoffradikale, die den Tumor schädigen sollen. (F.A.Z.)

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