Nanobänder für Spintronik-Chips

Nur wenige Atome breite Streifen aus einlagigen Graphit-Schichten könnten laut Theorie die Basis für spinkontrollierte Schaltkreise legen.

Um Computerchips immer kleiner und schneller zu machen, suchen Wissenschaftler nach Alternativen zur Siliziumelektronik. Viele Forscher halten winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff für geeignete Kandidaten. Amerikanische Physiker sehen dagegen eine Lösung in einfachen, flachen Nanobändern aus dem gleichen Material. In der Zeitschrift „Nature“ berichten sie über ihre theoretischen Berechnungen, bei denen die nur wenige Atome breiten Streifen aus Graphen, d. h. einlagigen Graphit-Schichten, die Basis für spinkontrollierte Schaltkreise legen können.

„Elektrischer Strom kann mit so genannten Halbmetallen komplett spinpolarisiert werden“, schreiben Steven G. Louie und seine Kollegen von der University of California in Berkeley. Diese Materialklasse ist nicht zu verwechseln mit Halbleitern. Halbmetalle erweisen sich als leitend für Elektronen mit einer Spinausrichtung und isolierend für die jeweils andere. Dieses Verhalten wurde beispielsweise schon in Manganperowskit beobachtet. Steven Louie konnte nun über Berechnungen belegen, dass diese Eigenschaften auch in einlagigen Graphit-Schichten auftreten sollten.

Für einen Schaltkreis wirkt ein Halbmetall quasi als Ventil für spinpolarisierte Stromflüsse. In Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen Feld können nur Ströme mit Elektronen einer bestimmten Spinausrichtung fließen. Weist dieser Eigendrehimpuls der Elektronen in die andere Richtung, wirkt das Material isolierend.

In Graphen zeichnet laut Louie die Zick-Zack-Anordnung der Kohlenstoffatome für dieses Verhalten verantwortlich. Auf der Basis von Dichtefunktionen berechnete der Physiker das magnetische Verhalten von 6 bis 32 Atome breite Graphen-Bänder. Über ein äußeres, elektrisches Feld in der Größenordnung von einigen zehn Millivolt pro Ångström lässt sich zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Zuständen hin und her schalten. Die entsprechende Schaltgrenze – das Bandgap – ist dabei umgekehrt proportional zu der Breite des Graphen-Streifens. „Wenn wir die Richtung des äußeren Feldes wechseln, wird die Spinpolarität der Ladungsträger des Halbmetalls umgekehrt“, erklärt Louie.

Experimentell konnte dieses halbmetallische Verhalten von Graphen noch nicht bestätigt werden. Doch hält es Louie für möglich, auf dieser Basis nanostrukturierte Schaltkreise aufbauen zu können. Gelingt dies, böten sich die günstig herstellbaren Graphenschichten als Baumaterial für zukünftige Spintronik-Chips an. Im Feld der Kohlenstoffelektronik gelten bisher die halbleitenden Nanoröhrchen als viel versprechende Kandidaten für Nanotransistoren. Graphen dagegen wurde bisher von Materialforschern nur als leitfähiger Zusatz für leichte Kompositmaterialien ins Auge gefasst.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Young-Woo Son et al., Half-metallic graphene nanoribbons, Nature 444, 347-349 (16 November 2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05180
• University of California, Berkeley:
  http://www.berkeley.edu
• Department of Physics:
  http://www.physics.berkeley.edu
• Arbeitsgruppe S.G. Louie:
  http://civet.berkeley.edu/louie/
• Hintergrund Graphene/Nanoröhrchen:
  Reich, Stephanie / Thomsen, Christian / Maultzsch, Janina, Carbon Nanotubes - Basic Concepts and Physical Properties. (Wiley-VCH, Berlin 2004). ISBN-10: 3-527-40386-8. ISBN-13: 978-3-527-40386-8.