Ermöglichen Nanotransistoren bald die Fortsetzung von Moore's Law?

21.05.2004

Neue Fortschritte bei der Miniaturisierung elektronischer Bauteile verspricht man sich von Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes). Deren Erforschung ist eines der "heißesten" Gebiete in der Festkörperphysik.

Erst seit 1985 (Smalley) kennt man die Fullerene, und erst seit 1991 (Iijima) kennt man eine weitere Erscheinungsform des Kohlenstoffs: die Nanoröhren. Ein SET-Transistor mit einer Nanoröhre als Insel-Elektrode kommt mit einem extrem kleinen Stromfluss aus: ein einzelnes Elektron.

An der University of Illinois hat sich eine Gruppe von Festkörperphysikern um Alexey Bezryadin mit einem Nanoröhren-Transistor befasst, wie Science Magazine in seiner neuesten Ausgabe berichtet. Ziel war es, quantenmechanische Modelle für dessen Verhalten auf ihre Stimmigkeit zu überprüfen. Eine Nanoröhre verbindet dabei die Source- und die Drain-Elektrode und das Variieren der Gatespannung steuert das Tunneln eines einzigen Elektrons!

Schematische Darstellung eines Single-Electron-Tunnelling Transistors

Doch was sind eigentlich Kohlenstoff-Nanoröhren? Ein Blatt Papier hilft dabei, sich ihre Eigenschaften vorzustellen: Rollen Sie es der Länge nach zu einem Zylinder ein (die einfachste symmetrische Möglichkeit) – oder der Breite nach (die zweite symmetrische Möglichkeit) – oder ein wenig schräg, dann kommt der Winkel zwischen Papierkante und Zylinderachse ins Spiel und der Umlaufsinn (rechts- oder linksherum gewickelt) wirkt sich aus: die sogenannte Chiralität.

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Bei der Nanoröhre ist das Blatt ein so genanntes Graphen, eine einzelne Lage Graphit, die aus Kohlenstoffatomen besteht, zweidimensional im Bienenwabenmuster angeordnet. Es muss natürlich gewährleistet sein, dass das Muster den Zylinder bruchlos umläuft, deshalb hängen Durchmesser und chiraler Winkel voneinander ab. Die Abmessungen sind dabei winzig: Einschicht-Nanoröhren werden mit Durchmessern von wenigen Millionstel Millimetern (Nanometern) hergestellt. Mehrschicht-Nanoröhren, bei denen die Graphitzylinder ineinander geschachtelt sind, sind gewöhnlich wenige Dutzend Nanometer dick. Die Länge dieser haarfeinen Strukturen konnte dagegen schon auf zehntel Millimeter gesteigert werden, maßstäblich vergleichbar einem hundert Meter langen Spaghetto.

Abgesehen von geradezu märchenhaften mechanischen Eigenschaften, was Elastizität und Reißfestigkeit angeht oder von ihrer Verwandtschaft zu den Fullerenen ("Buckyballs"), besitzen die Nanoröhren eine Besonderheit: Je nach chiralem Winkel und Durchmesser sind sie (metallische) Leiter oder Halbleiter. Die Größe der Bandlücke wird allein von der Geometrie der Nanoröhre bestimmt. Das macht sie zu Kandidaten für den Bau einer weiteren Transistorengeneration, die Moore's Law fortführen kann, wenn erst ihre Herstellung "nach Maß" mit optimierten Eigenschaften gelingt.

Nanotubes unterschiedlicher Geometrie: a) Armchair-Nanoröhre, b) Zig-Zag-Konfiguration, c) schiefe (chirale) Anordnung.

Dabei fließt unter Umständen kein gewöhnlicher Strom aus mehreren Elektronen: Die Nanoröhren lassen sich zum Bau von Single-Electron-Tunnelling- (SET-)Transistoren verwenden, wo nur ein einzelnes Elektron mittels Quantentunneln die Röhre passiert. Es lässt sich nachweisen, dass bestimmte quantenmechanische Kopplungen beim Durchtritt erhalten bleiben, sodass die Nanoröhren auch für den Bau eines Quantencomputers (Spintronik) interessant sind.

Doch zurück nach Urbana, Illinois! Durch ein starkes äußeres Magnetfeld, dessen Feldlinien parallel zur Röhrenachse verlaufen, sollte es möglich sein, die Bandlücke einer Kohlenstoff-Nanoröhre zu beeinflussen, und zwar sowohl, sie zu vergrößern als auch, sie zu verkleinern. Genau dies haben Bezryadin et al. versucht, und haben dabei die Vorhersagen der Theoretiker und die Annahmen über den inneren Aufbau von Mehrschicht-Nanoröhren auf die Probe gestellt.

Die Forscher stellten Mehrschicht-Nanoröhren her (Länge ca. 600 Nanometer, Durchmesser ca. 15 Nanometer), die in einem SET-Transistor die Source- und die Drain-Elektrode verbanden. Durch Variieren der Bias- und der Gate-Spannung (Coulomb-Blocking) wurden zwei Röhren identifiziert, die sich als Halbleiter bzw. als metallischer Leiter verhielten.

Modell einer Nanoröhre in der sogenannten Sessel-("Armchair"-) Konfiguration – diese Anordnung ist ein elektrischer Leiter

Entscheidend war nun das Verhalten der beiden Transistoren bei Wiederholung der Messungen in einem starken, parallel verlaufenden Magnetfeld von bis zu 10 Tesla. Modellrechnungen für eine Armchair-Konfiguration und eine Zig-Zag-Konfiguration – die Orientierung des Wabenmusters unterscheidet sich zwischen beiden um genau 90 Grad – glichen dem Experiment: Die Nanoröhren verloren je nach Magnetfeldstärke ihre ursprüngliche Charakteristik. Die Bandlücke beim halbleitenden Objekt schloss sich, beim leitenden Objekt entstand sie, beides genau mit der vorhergesagten Abhängigkeit von der Feldstärke.

Problematisch blieben einige quantitative Unstimmigkeiten bei der maximalen Größe der Bandlücke. Die grundlegenden Annahmen über die Tunnelwahrscheinlichkeit (tight-binding-Modell, quantum-dot-Eigenschaft) wurden aber bestätigt, sodass ein weiterer Schritt zum Verständnis des SET-Transistors getan wurde.

Die aufregenden und überraschenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Nanoröhren sorgen dafür, dass an der Realisierung technischer Anwendungen weltweit gearbeitet wird – was letzten Endes einsatzfähig wird, hängt vom Erfindungsgeist der Forscher ab!

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