Hauchdünn wie ein Atom

Halbleiter, so dünn wie ein Atom, sind keine Zukunftsmusik mehr. Axel Enders von der Uni Bay­reuth hat gemein­sam mit US-ameri­ka­nischen und pol­nischen Partnern ein zwei­dimen­sio­nales Material ent­wickelt, das die Elek­tronik revo­lutio­nieren könnte. Auf­grund seiner Halb­leiter-Eigen­schaften könnte es sich für High-Tech-Anwen­dungen sogar besser eignen als Graphen. Das neue Material enthält Kohlen­stoff, Bor und Stick­stoff, sein chemischer Name lautet hexa­gonales Boron-Carbon-Nitrogen, kurz h-BCN.

„Unsere Entwicklung kann der Ausgangspunkt für eine neue Generation elek­tro­nischer Tran­sis­toren, Schalt­kreise und Sensoren sein, die um ein Viel­faches kleiner und bieg­samer sind als bis­herige elek­tro­nische Ele­mente. Voraus­sicht­lich ermög­lichen sie eine deut­liche Senkung des Strom­ver­brauchs“, prog­nosti­ziert Enders und ver­weist auf die heute in der Elek­tronik domi­nie­rende CMOS-Techno­logie. Dieser Techno­logie seien hin­sicht­lich einer wei­teren Minia­turi­sie­rung klare Grenzen gesetzt: „Um diese Barriere zu über­schreiten, eignet sich h-BCN weit­aus besser als Graphen, obwohl es genauso struk­tu­riert ist wie Graphen.“

Graphen ist ein Gitter aus Kohlenstoffatomen, die nur in zwei Dimen­sionen mit­ein­ander ver­netzt sind. Das Gitter ist daher genauso dünn wie ein ein­zelnes Atom. Als diese Struk­tur nach ihrer Ent­deckung genauer erforscht wurde, löste vor allem ihre enorme Stabi­lität welt­weite Begeis­terung aus. Graphen ist hundert bis drei­hundert Mal stärker als Stahl und zu­gleich ein hervor­ragen­der Leiter für Wärme und Elek­tri­zität. Doch Elek­tronen fließen bei jeder belie­bigen elek­trischen Span­nung unge­hindert hin­durch, so dass es keine defi­nier­ten Ein- und Aus-Zustände gibt. „Des­halb ist Graphen für elek­tro­nische Bau­teile unge­eignet. Hier­für werden Halb­leiter benö­tigt, weil nur sie schalt­bare Zustände gewähr­leisten“, erklärt Enders.

Er hatte daher die Idee, einzelne Kohlenstoffatome im Graphen durch Bor und Stick­stoff aus­zu­tauschen – und zwar so, dass ein zwei­dimen­sio­nales Gitter mit den Eigen­schaften eines Halb­leiters ent­steht. In Zusam­men­arbeit mit Wissen­schaft­lern der Unive­rsity of Lincoln-Nebraska, der Univer­sität Krakau, der State Univer­sity of New York, dem Boston College und der Tufts Univer­sity in Massa­chu­setts konnte er dieses Ziel jetzt ver­wirk­lichen.

U. Bayreuth / RK