Kraftmikroskop-Aufnahme eines Nanobands aus Graphen
Wenn es darum geht, welches Nanomaterial am vielseitigsten ist, war die Antwort lange klar: Kohlenstoff-Nanotubes. Doch inzwischen droht den Wunderröhren Konkurrenz von einem Verwandten: dem so genannten Graphen. Das ist gewissermaßen einlagiges Graphit: Zu Sechsecken angeordnet bilden die Kohlenstoffatome eine ausgedehnte Ebene und erinnern damit an die Miniaturausgabe eines entrollten Maschendrahtzauns. Wegen seiner besonderen elektronischen Eigenschaften gilt das Material als ein weiterer heißer Kandidat für die Nanoelektronik. Nun haben Forscher der Stanford-Universität herausgefunden, wie man aus einem Graphen-Band einen n-Kanal-Transistor machen könnte – ein wichtiges Bauteil für funktionierende Nanoschaltkreise.
In n-Kanal-Transistoren herrscht ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen. In p-Kanal-Transistoren dienen hingegen positiv geladene „Löcher“, also fehlende Elektronen in der Kristallstruktur, als bewegliche Ladungsträger. Will man komplexere Schaltkreise realisieren, brauche man beide, sagt Stanford-Forscher Hongjie Dai, der die Arbeit leitete, an der auch Forscher von der Universität von Florida und vom Lawrence Livermore National Laboratory beteiligt waren.
Prototypen von p-Kanal-Transistoren aus Graphen-Bändern gibt es bereits. Sie entstehen, wenn Sauerstoff-Atome sich an der Kante des Kohlenstoffblatts anlagern und darin elektronische Löcher erzeugen. n-Kanal-Transistoren herzustellen, galt bislang als schwieriger. Dass Dai und seine Kollegen Erfolg hatten, liegt auch an den Erfahrungen, die sie bereits mit Graphen gesammelt hatten. Im vergangenen Jahr stellte seine Gruppe die ersten Nanobänder aus dem Stoff vor, 10 bis 150 Nanometer breite Graphen-Streifen. Mit denen demonstrierten sie dann einen Graphen-basierten p-Kanal-Transistor. Im April veröffentlichten sie schließlich ein Verfahren, mit dem sich Nanobänder in großen Mengen produzieren lassen.
Jetzt der nächste Streich. Zunächst platzierten sie Graphen-Streifen auf einem Substrat aus Silizium und Siliziumdioxid. Dann setzten sie sie großer Hitze aus und ließen Ammoniak-Gas darüberstreichen. „Wenn man die Bänder in der Gegenwart von Ammoniak erhitzt, lagern sich einige Stickstoffatome aus dem Ammoniak im Graphen ein“, sagt Hongjie Dai. Weil Stickstoff fünf äußere Elektronen hat und damit eins mehr als Kohlenstoff, enthält das Nanoband überschüssige, bewegliche Elektronen. Zusammen mit dem Untergrund – das Silizium dient als Gatterelektrode, das Siliziumdioxid alss Isolierschicht dazwischen – bildet es dann einen funktionierenden n-Kanal-Transistor.
Bevor dies gelang, war allerdings nicht klar, wie sich eine negative Dotierung mit Fremdatomen auf die elektrische Leitfähigkeit des Graphens auswirken würde. Die ist nämlich sehr hoch und macht Graphen gerade zu einem vielversprechenden Elektronikwerkstoff. „Wir stellten fest, dass die Beweglichkeit der Elektronen gleich blieb, etwas, womit wir nicht unbedingt gerechnet hatten“, erläutert Dai.
Dass die Elektronen in Anwesenheit von Stickstoffatomen genauso schnell durch das Material flitzen wie ohne, erklärt sich Dai damit, dass die Stickstoffatome eher an den Rändern als im Innern des Graphen-Bandes sitzen. Eine wichtige Erkenntnis, wie er findet, bestätigt sie doch die Florida-Forscher Youngki Yoon und Jing Guo. Die Beiden hatten berechnet, dass bei sehr schmalen Bändern die Fremdatome sich eher an den Kanten anlagern würden. Für eine praktische Anwendung ist das natürlich gut, weil es schwieriger ist, Fremdatome kontrolliert ins Innere der Graphen-Blätter hineinzubekommen.
Die jetzige Ergebnissen seien eine gute Grundlage, um die Technik zu verfeinern und herauszufinden, welche Fremdatome sich am Besten fürs Dotieren eignen, findet Dai. Bis Graphen-basierte Transistoren mit den herkömmlichen aus Silizium mithalten können, werde aber noch viel Zeit vergehen. Ein wichtiges Problem ist nämlich noch nicht gelöst: die Graphen-Bänder so herzustellen, dass sie alle dieselben Abmessungen haben. Erst wenn es hierfür standardisierte und exakt kontrollierbare Verfahren gibt, kann die Vision der Nanoelektronik Wirklichkeit werden.
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