Wissenschaftler haben erstmals eine Methode entwickelt, mit der sich akkurat messen lässt, wie sich Wärme innerhalb von Kohlenstoffnanoröhrchen bewegt – winzigen molekularen Drähten, die eines Tages zur Herstellung von neuartigen Prozessoren und anderer Elektronik verwendet werden sollen, die wesentlich schneller und energieeffizienter arbeiten. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass die Erwärmung dieser Strukturen komplexer verläuft als bislang angenommen – eine Tatsache, die von enormer Wichtigkeit bei der Herstellung von Bauteilen aus dem Material ist.
Traditionelle Halbleiter wie Silizium erhitzen sich, sagt Phaedon Avouris, Leiter der Nanoforschungs- und Technologiegruppe bei IBM in New York, wo die neue Untersuchungstechnik entstand. "Das ist einer der Bereiche, der Geschwindigkeitssteigerungen verhindern kann." Seine Studie, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, betrachtet aber nicht nur die Wärmeverteilung. "Wir schauen uns auch auf atomarem Niveau an, wie Hitze entsteht und abgeleitet wird."
Avouris Team fand unter anderem heraus, dass das Anlegen eines elektrischen Stroms an einen Transistor aus Nanoröhrchen dafür sorgen kann, dass atomare Vibrationen eine Hitze von bis zu 1000 Grad Celsius erzeugen. Andere Arten von Vibrationen bleiben mit 400 Grad Celsius hingegen recht kühl. Das läuft dem Verhalten der meisten anderen Materialien zuwider, die eine relativ einheitliche Hitze beibehalten.
Die Forscher ermittelten außerdem, dass die elektrischen Eigenschaften eines Nanoröhrchens und die Art, wie Hitze auf ein Substrat aus Siliziumdioxid transferiert wird, auch von den Vibrationen der Atome auf der Oberfläche des Substrats abhängen. Das bedeutet, dass die bei der Herstellung verwendete Materialauswahl eine wichtige Rolle dabei spielt, die elektrischen Eigenschaften einer Komponente und ihre Wärmeabführung zu bestimmen.
Seit Ende des vergangenen Jahrzehnts die ersten Transistor-Prototypen aus Kohlenstoffnanoröhrchen demonstriert wurden, träumen Forscher von einer Elektronik der nächsten Generation, die aus solchen enorm kleinen Bauteilen besteht. Sie besitzen neuartige Eigenschaften, die es Elektronen erlauben, sie besonders schnell zu durchlaufen – und das bei geringem Energiebedarf. Forscher glauben, dass Nanoröhrchen als aktive Komponenten in Transistoren dienen könnten, die jene aus Silizium in Sachen Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Kompaktheit bei weitem überbieten. Bevor es soweit ist, muss allerdings erst einmal verstanden werden, wie sich Nanoröhrchen erhitzen, wenn elektrischer Strom sie durchfließt. Und genau das war bislang ein großes Hindernis.
IBM-Forscher Mathias Steiner, der ebenfalls an Avouris Projekt teilgenommen hat, meint, dass die Wissenschaft in den letzten Jahren ihr Augenmerk zunehmend auf die Mechanismen legte, die diesen Prozess begleiten. Das Problem waren allerdings fehlende akkurate Messverfahren. "Es ist schwierig, Eigenschaften eines aktiven Kanals, also dem Bereich des Nanoröhrchens, das als elektrischer Schalter im Transistor dient, zu untersuchen, weil wir es hier nur mit ungefähr einem Molekül zu tun haben." Man habe sich stets gefragt, wie man hier Daten gewinnen und Experimente durchführen könne. "Unseres ist das erste, das wirklich Ergebnisse liefert."
Um die Hitze der Nanoröhrchen zu messen, nutzten die Forscher ein Standardverfahren aus dem Bereich der optischen Spektroskopie. Sie lenkten dazu einen sehr eng fokussierten Laserstrahl auf einen einzelnen Nanotransistor, während sie einen elektrischen Strom durch den Zielbereich leiteten. Als das Licht das Nanoröhrchen traf, wurde es absorbiert und auf eine Art gestreut, aus der sich herauslesen ließ, wie die Atome vibrierten. Diese atomaren Vibrationen, Phononen genannt, kommen bei verschiedenen Frequenzen oder auch Modi vor. Diese Modi lassen wiederum Rückschlüsse auf Temperaturen innerhalb des Nanoröhrchens zu.
Der Grund, warum das IBM-Team erstmals Ergebnisse vorlegen konnte, liegt in der Genauigkeit, die es mit seinem Laser erreichte. Die Forscher bauten ihr Experiment eigens dafür auf, ein einzelnes Nanoröhrchen zu untersuchen, ein Prozess, der einen sehr engen Lichtfokus und die physikalische Isolation eines Nanoröhrchens von allen anderen enthaltenen benötigt. Doch die Betrachtung der Daten einer einzelnen Spektroskopiestudie war nicht genug. Deshalb schauten sich die Forscher eine Kombination verschiedener Messwerte oder auch "Thermometer" an – darunter die Charakteristika der Elektronenumwandlung innerhalb eines Nanoröhrchens. Kombiniert man all diese Daten, lässt sich ein nahezu vollständiges Wärmeflussmodell erstellen.
Eric Pop, Professor für Elektrotechnik an der University of Illinois in Urbana Champaign, weiß, wie schwierig es bislang war, die thermischen Eigenschaften von Nanoröhrchen zu bestimmen – insbesondere in Relation zu einem Substrat und umliegenden Komponenten. "Diese Arbeit bestätigt Ideen, die schon seit einiger Zeit diskutiert wurden, für die bislang aber die Belege fehlten." Dazu gehöre die Vorstellung, dass die Umgebung eines Nanoröhrchens eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Wärmeableitung spielt. "Vor etwa einem Jahr hätte man vielleicht noch gesagt, dass Nanoröhrchen ein exzellenter Wärmeleiter sind. Heute wissen wir aber, dass sie sehr sensibel auf ihre Umwelt reagieren", sagt Pop.
Für Ingenieure sind die IBM-Ergebnisse signifikant, weil sie einen Weg aufzeigen, wichtige Hitzemanagementtechniken in solche Schaltkreise einzubauen. Da das Substrat ebenfalls ein wichtiger Faktor ist, was Wärmefluss und elektrische Eigenschaften anbetrifft, könnten Forscher darüber nachdenken, es passend zu verändern. Andere Möglichkeiten bestehen in Zusatzmaterialien, die um die Nanoröhrchen geschlungen werden sowie bessere Anbindungsstoffe an das Substrat.
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