Nano-Astgabel als Transistor

Amerikanische Physiker schafften es erstmals, Elektronen zuverlässig mit gegabelten Nanoröhrchen zu kontrollieren.

San Diego (USA) - Je kleiner und schneller Computerchips aus Silizium werden, desto verbissener sucht die Halbleiterindustrie nach Materialien und Methoden für die Schaltkreise der Zukunft. Winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff gelten als viel versprechende Kandidaten und amerikanische Physiker schafften es nun erstmals, Elektronen zuverlässig mit einem gegabelten Nanomodul zu kontrollieren. Dieser Ansatz, den sie im Fachblatt "Nature Materials" beschreiben, könnte sowohl die Anzahl der Transistoren pro Fläche deutlich erhöhen als auch störende quantenmechanische Effekte verhindern helfen.

"Wir können die Funktion von allen Elementen eines Transistors - drain, gate und source - auf der Nanoskala nachbauen", sagt Prabhakar Bandura von der University of California in San Diego. So lässt sich der Fluss der schaltenden Elektronen bei etwa zwei Volt und zwischen 5 und 60 Nanoampère elegant durch eine Steuerspannung von knapp fünf Volt kontrollieren. Die negativen Ladungsträger wandern dazu durch die zwei Astgabeln der Nanoröhrchen-Struktur. Über die elektrische Polung im Stamm, der ebenfalls aus einem Nanoröhrchen besteht, wird der Elektronenstrom von einem Nanoast in den anderen gesteuert. Bei einer positiven Spannung am Röhrchenstamm können die Elektronen passieren, bei einer negativen ist der Weg wegen der abstoßenden Ladung versperrt. Gegenüber Metallen oder Halbleitern leiten Nanoröhrchen elektrischen Strom mit deutlich geringerem Widerstand. Höhere Schaltraten mit geringeren Wärmeverlusten wären damit möglich.

Für die Produktion dieses Nanotransistors gingen die Wissenschaftler von einfachen, geraden Röhrchen mit Wänden aus mehreren Schichten Kohlenstoff aus. An diese mehrwandigen, sehr gut leitenden Hohlkörper setzten sie winzige Katalysatorteilchen aus Titan und Eisen. An diesen wuchs nun aus einer heißen Kohlenstoff-Atmosphäre der verzweigte Ast an die Röhrchen an. Ergebnis ist eine einfache Y-förmige Struktur mit wenige Nanometer dicken und rund 100 Nanometer langen Hohlkörpern.

Setzt man an mehrwandige, sehr gut leitende Nanoröhrchen winzige Katalysatorteilchen aus Titan und Eisen an, so wächst aus einer heißen Kohlenstoff-Atmosphäre der verzweigte Ast an die Röhrchen an. (Quelle: P.R. Bandaru et al.)

Im Unterschied zu früheren Transistor-Experimenten mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen benötigen diese Nanoäste keine zusätzlichen Metallelektroden zu Schaltkontrolle mehr. Sowohl Forscher der Technischen Universität Delft und Nanowissenschaftler der Elektronikkonzerne Infineon und IBM präsentierten hier schon erste Transistor-Prototypen auf der Basis von einwandigen, halbleitenden Nanoröhrchen. Im Unterschied dazu könnte der neue Ansatz zu einer erleichterten Massenproduktion führen, da sowohl die aufwändige Platzierung der Röhrchen als auch die aufwändige Sortierung zwischen leitenden und halbleitenden Exemplaren entfällt. Mit Röhrchendicken von wenigen Nanometern ließen sie sich um ein Vielfaches dichter auf einen Chip zusammenballen als heutige Siliziumtransistoren auf einem Chip. Um auch komplexere Schaltkreise aufbauen zu können, experimentieren die Nanoforscher um Bandura nun sogar mit T- und X-förmigen Strukturen.

Bis zu einer technischen Anwendung bleibt jedoch ein zentrales Problem der Nanoforscher zu lösen: Die massenhafte und dennoch kontrollierte Anordnung der Röhrchen. "Doch wenn wir diese Nanobauteile leicht herstellen, manipulieren und zusammensetzen können, könnten sie eine Basis für einen neue Art von Transistoren bilden"; sagt Bandaru.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  P.R. Bandaru et al., Novel electrical switching behaviour and logic in carbon nanotube Y-junctions, Nature Materials, Online-Veröffentlichung.
  http://dx.doi.org/doi:10.1038/nmat1450  
• University of California, San Diego: 
  http://www.ucsd.edu  
• Arbeitsgruppe Bandura, UCSD: 
  http://maeweb.ucsd.edu/~pbandaru/  
• Video der Forscher: 
  http://rpvss.ucsd.edu:8080/ramgen/jsoe/Bandaru05.rm  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Nanoröhrchen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Nanoröhren und -drähte.

Weitere Literatur:

• Li,W. Z.,Wen, J. G. & Ren, Z. F. Straight carbon nanotube Y junctions. Appl. Phys. Lett. 79, 1879–1881 (2001).  
• Satishkumar, B. C., Thomas, P. J., Govindaraj, A. & Rao, C. N. R. Y-junction carbon nanotubes. Appl.Phys. Lett. 77, 2530–2532 (2000).  
• Xu, H. Q. Electrical properties of three-terminal ballistic junctions. Appl. Phys. Lett. 78, 2064–2066 (2001).  
• Saito, R., Dresselhaus, G. & Dresselhaus, M. S. Physical Properties of Carbon Nanotubes (Imperia lCollege Press, London, 1998).  
• Forro, L. & Schonenberger, C. in: Carbon Nanotubes-Topics in Applied Physics (ed. Avouris, P.) (Springer, Heidelberg,