Perfekte Leiter aus Graphen-Nanostrukturen
Ballistische Leiterbahnen helfen, Energie einzusparen.
Die Leistungsaufnahme einer einzigen modernen CPU liegt in der Größenordnung von 100 Watt, aus denen quasi komplett ungenutzte Wärme entsteht und zudem durch aktive Kühleinheiten an die Umgebung abgegeben werden muss. Das Wärmeproblem belastet nicht nur die Umwelt, sondern limitiert auch die weitere Miniaturisierung und höhere Taktfrequenzen. Ein Ausweg aus diesem Dilemma wären sogenannte ballistische Leiterbahnen, die keinen elektrischen Widerstand aufweisen.
Abb.: Die blauen Elektronen bewegen sich ballistisch entlang der schwarzen Graphen-Nanostrukturen und mittels der Metallkontakte auch zwischen ihnen. (Bild: J. Hankinson, Georgia Tech)
Physikern der Leibniz-Universität Hannover ist es nun in Kooperation mit amerikanischen Wissenschaftlern erstmals gelungen, solche ballistischen Nanostrukturen in definierter Weise herzustellen und umfassend zu charakterisieren. Durch einfaches Heizen eines nanostrukturierten Siliziumcarbid-Kristalls entstehen an den Kanten kleinste Graphen-Strukturen.
„Die durch den Rand dieser Graphen-Nanostrukturen bedingte spezielle elektronische Struktur unterdrückt dabei jegliche Streuung der Elektronen, so dass das Material keinen Wiederstand aufweist“, erklärt Christoph Tegenkamp vom Institut für Festkörperphysik, Leiter der Untersuchungen am Institut für Festkörperphysik in Hannover.
An diesen Strukturen führten die Wissenschaftler mittels eines in Niedersachsen einmaligen Großgerätes, einem 4-Spitzen-STM-SEM, systematisch Transportmessungen auf der Nanoskala durch. „Für etwaige zukünftige Technologien ist dabei besonders interessant, dass dieser verlustfreie Transport auch bei Raumtemperatur auftra“, sagt Jens Baringhaus, der sich in seiner Promotion mit diesem Materialsystem beschäftigt.
Das Verfahren birgt großes Potenzial für die Zukunft. Stimmen die theoretischen Berechnungen, sollten die Ränder auch magnetische Eigenschaften haben. Die Kompatibilität des neuen Trägermaterials mit der herkömmlichen Silizium-Technologie sowie die Möglichkeit flexibler Strukturierung des Materials erlaubt es, auch kompliziertere Graphen-Draht-Geometrien zu realisieren. Erste Transistor-Prototypen ließen sich bereits von den Kooperationspartnern um Walt de Heer vom Georgia Institute of Technology erfolgreich hergestellen.
LUH / PH
