Team entwickelt Graphen-basierte Nanoelektronik-Plattform

Eine dringende Aufgabe auf dem Gebiet der Nanoelektronik ist die Suche nach einem Material, das Silizium ersetzen könnte. Graphen scheint seit Jahrzehnten vielversprechend. Aber sein Potenzial ist auf dem Weg dorthin aufgrund schädlicher Verarbeitungsmethoden und des Fehlens eines neuen Elektronikparadigmas ins Stocken geraten. Da Silizium in seiner Fähigkeit, schnelleres Rechnen zu ermöglichen, fast ausgereizt ist, wird die nächste große Nanoelektronik-Plattform jetzt mehr denn je benötigt.

Walter de Heer, Regents-Professor an der School of Physics am Georgia Institute of Technology, hat einen entscheidenden Schritt nach vorne gemacht, um für einen Nachfolger von Silizium zu plädieren. De Heer und seine Mitarbeiter haben eine neue Nanoelektronik-Plattform entwickelt, die auf Graphen basiert – einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen. Die Technologie ist mit der konventionellen Mikroelektronikfertigung kompatibel, eine Notwendigkeit für jede praktikable Alternative zu Silizium.

Im Zuge ihrer Recherchen, veröffentlicht in Naturkommunikationhat das Team möglicherweise auch ein neues Quasiteilchen entdeckt. Ihre Entdeckung könnte zur Herstellung kleinerer, schnellerer, effizienterer und nachhaltigerer Computerchips führen und potenzielle Auswirkungen auf Quanten- und Hochleistungscomputer haben.

„Die Stärke von Graphen liegt in seiner flachen, zweidimensionalen Struktur, die durch die stärksten bekannten chemischen Bindungen zusammengehalten wird“, sagte de Heer. „Es war von Anfang an klar, dass Graphen weitaus stärker miniaturisiert werden kann als Silizium – was viel kleinere Geräte ermöglicht, während es mit höheren Geschwindigkeiten arbeitet und viel weniger Wärme erzeugt. Das bedeutet, dass im Prinzip mehr Geräte auf einem einzigen gepackt werden können Chip aus Graphen als mit Silizium.“

Im Jahr 2001 schlug de Heer eine alternative Form der Elektronik vor, die auf epitaxialem Graphen oder Epigraphen basiert – einer Graphenschicht, die sich spontan auf einem Siliziumkarbidkristall bildet, einem Halbleiter, der in der Hochleistungselektronik verwendet wird. Damals fanden Forscher heraus, dass elektrische Ströme ohne Widerstand entlang der Kanten von Epigraphen fließen und dass Graphen-Geräte ohne Metalldrähte nahtlos miteinander verbunden werden konnten. Diese Kombination ermöglicht eine Form der Elektronik, die auf den einzigartigen lichtähnlichen Eigenschaften von Graphen-Elektronen beruht.

„Quanteninterferenz wurde bei Kohlenstoffnanoröhren bei niedrigen Temperaturen beobachtet, und wir erwarten ähnliche Effekte in Epigraphenbändern und -netzwerken“, sagte de Heer. „Diese wichtige Eigenschaft von Graphen ist mit Silizium nicht möglich.“

Aufbau der Plattform

Um die neue Nanoelektronik-Plattform zu schaffen, schufen die Forscher eine modifizierte Form von Epigraphen auf einem Siliziumkarbid-Kristallsubstrat. In Zusammenarbeit mit Forschern des Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems an der Universität Tianjin, China, stellten sie einzigartige Siliziumkarbid-Chips aus Siliziumkarbid-Kristallen in Elektronikqualität her. Das Graphen selbst wurde im Labor von de Heer an der Georgia Tech unter Verwendung patentierter Öfen gezüchtet.

Die Forscher verwendeten Elektronenstrahllithographie, eine in der Mikroelektronik übliche Methode, um die Graphen-Nanostrukturen zu schnitzen und ihre Kanten mit den Siliziumkarbid-Chips zu verschweißen. Dieser Prozess stabilisiert und versiegelt mechanisch die Kanten des Graphens, die andernfalls mit Sauerstoff und anderen Gasen reagieren würden, die die Bewegung der Ladungen entlang der Kante stören könnten.

Um schließlich die elektronischen Eigenschaften ihrer Graphenplattform zu messen, verwendete das Team ein kryogenes Gerät, mit dem sie ihre Eigenschaften von einer Temperatur nahe Null bis Raumtemperatur aufzeichnen können.

Randzustand beobachten

Die elektrischen Ladungen, die das Team im Graphen-Kantenzustand beobachtete, ähnelten Photonen in einer optischen Faser, die ohne Streuung große Entfernungen zurücklegen können. Sie fanden heraus, dass die Ladungen Zehntausende von Nanometern entlang der Kante wanderten, bevor sie gestreut wurden. Graphen-Elektronen in früheren Technologien konnten nur etwa 10 Nanometer zurücklegen, bevor sie auf kleine Unvollkommenheiten stießen und in verschiedene Richtungen gestreut wurden.

„Das Besondere an den elektrischen Ladungen in den Kanten ist, dass sie auf der Kante bleiben und mit der gleichen Geschwindigkeit weiterlaufen, auch wenn die Kanten nicht perfekt gerade sind“, sagte Claire Berger, Physikprofessorin an der Georgia Tech und Forschungsdirektorin bei das Französische Nationale Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Grenoble, Frankreich.

In Metallen werden elektrische Ströme von negativ geladenen Elektronen getragen. Aber entgegen den Erwartungen der Forscher deuteten ihre Messungen darauf hin, dass die Randströme nicht von Elektronen oder Löchern getragen wurden (ein Begriff für positive Quasiteilchen, der das Fehlen eines Elektrons anzeigt). Vielmehr wurden die Ströme von einem höchst ungewöhnlichen Quasiteilchen getragen, das keine Ladung und keine Energie hat und sich dennoch ohne Widerstand bewegt. Es wurde beobachtet, dass sich die Komponenten des hybriden Quasiteilchens auf gegenüberliegenden Seiten der Kanten des Graphens bewegen, obwohl es sich um ein einzelnes Objekt handelt.

Die einzigartigen Eigenschaften deuten darauf hin, dass das Quasiteilchen eines sein könnte, von dem Physiker seit Jahrzehnten gehofft haben, es auszunutzen – das schwer fassbare Majorana-Fermion, das der italienische theoretische Physiker Ettore Majorana 1937 vorhergesagt hat.

„Die Entwicklung von Elektronik unter Verwendung dieses neuen Quasiteilchens in nahtlos miteinander verbundenen Graphennetzwerken ist bahnbrechend“, sagte de Heer.

Laut de Heer wird es wahrscheinlich noch fünf bis zehn Jahre dauern, bis wir die erste Elektronik auf Graphenbasis haben. Aber dank der neuen epitaxialen Graphen-Plattform des Teams ist die Technologie näher denn je daran, Graphen als Nachfolger von Silizium zu krönen.