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25.09.2020 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Materie in neuer Gestalt

Autor:
Dieter Beste
8:30 Min. Lesedauer

Elektronische Bauelemente werden immer kleiner, aber das Ende der Miniaturisierung mit herkömmlichen Technologien ist absehbar. In dieser Situation eröffnen Nanodrähte der Mikroelektronik neue Perspektiven. 

Der Fortschritt der Nanotechnologien fällt ins Auge – etwa mit den dank Nanostruktur-Polymeren inzwischen unglaublich scharfen Bildern der Smartphone-Bildschirme. Aber dabei handele es sich nur um eine oberflächliche Entwicklung. Ein noch größeres Potenzial birgt der Nanomaßstab, wenn es darum geht, digitale Informationen zu verarbeiten, sagt Christopher J. Preston, Professor für Philosophie und Forschungsstipendiat des Mansfield Center Programm für Ethik und öffentliche Angelegenheiten an der University of Montana. In seinem Buch "Sind wir noch zu retten" beschreibt er eine Reihe von Technologien, die den "Stoffwechsel" der Erde umgestalten werden; darunter die Nanotechnologie, die den natürlichen Formen der Materie eine neue Struktur gibt.

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2019 | OriginalPaper | Buchkapitel

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This work concerns nanostructured titania (TiO2) arrays (tubes and rods) and nanoflaky MnO2/functionalized carbon nanotubes (CNT), which exhibit excellent physical and chemical properties, including a high surface area, light absorption, and …

In heutigen Computern übernehmen Transistoren die Informationsverarbeitung, die aus Halbleitermaterial wie Silizium bestehen. Bei der angestrebten weiteren Miniaturisierung der Transistorstrukturen auf Chips zeichnen sich inzwischen allerdings physikalische Grenzen ab. Man gelangt immer näher an den Punkt, an dem seltsame Phänomene wie der Quantentunneleffekt das Regime übernehmen und die technisch gewünschte Funktion des Transistors außer Kraft setzen. "Eine mögliche Antwort auf dieses Problem besteht darin, die konventionellen Transistoren durch Transistoren aus Nanodrähten zu ersetzen", sagt Preston: "Wegen der Struktur und der Ausmaße solcher Nanodrahtkanäle lässt sich der durch sie fließende Strom zuverlässig kontrollieren, und Elektronen dringen nur in geringem Maße nach außen" (Seite 14).

Am 10. Januar 2008 hatte die University of Berkeley in Kalifornien bekanntgegeben, dass sie erfolgreich Silizium-Nanodrähte mit entsprechenden physikalischen Eigenschaften für die Herstellung von thermoelektrischen Modulen hergestellt hatte. "Der Seebeck-Koeffizient und der elektrische Widerstand sind die gleichen wie für das Bulksilizium, aber bei Durchmessern kleiner als 50 nm, und es wurde eine 10-mal kleinere Wärmeleitfähigkeit gemessen", berichtet Titu-Marius I. Băjenescu in "Zuverlässige Bauelemente für elektronische Systeme" und definiert auf Seite 560: 

Nanomaterialien sind neu strukturierte Materialien auf der Nanoebene, mit speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie werden aus Nanoobjekten (mit zumindest einer Dimension kleiner als 100 nm) mit spezifischen Eigenschaften zusammengesetzt."

Băjenescu unterscheidet zwischen "klassischen" Nanomaterialien wie zum Beispiel Nanopartikel aus schwarzem Kohlenstoff, Siliziumdioxidniederschlag, gelatinierte Kieselerde oder Karbonate und "neuen" Nanomaterialien – "mit Absicht durch Design nanostrukturiert" –, zu denen er Nanopartikel wie Aluminiumoxid, kolloidales Siliziumdioxid oder Zinkoxid zählt, zudem Kohlenstoffnanoröhrchen, Quantenpunkte und eben auch Nanodrähte.

1970 waren die kleinsten Schaltelemente auf einem Chip noch riesengroß: mit rund 75.000 Nanometern entsprachen sie dem Durchmesser eines menschlichen Haars. Heute liegen marktgängigen Prozessor-Abmessungen bei 14, 12 oder auch 10 Nanometer – in der Chip-Entwicklung ist der tiefe einstellige Nanometerbereich Goldstandard. Und in diesem internationalen Wettlauf der Miniaturisierung kommen auch Nanodrähte ins Spiel. 

Bauelemente aus Nanodrähten

Als 2017 das große europäische Forschungsprojekt "Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS Devices (SNM)" zum Abschluss kam, war es den 16 Partnern aus Wissenschaft und Industrie unter der Führung des Ilmenauer Wissenschaftlers Ivo W. Rangelow gelungen, technologische Verfahren zur Herstellung von Transistoren zu entwickeln, deren kleinste Bauteile nur zwei Nanometer klein sind. Die größte öffentliche Forschungseinrichtung Spaniens, der Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC, demonstrierte in dem Projekt neue Methoden zur Fertigung von Bauelementen aus Nanodrähten, deren Dicke unter zehn Nanometern liegt.

Die Kunst, Nanodrähte herstellen zu können, ist noch jung; ihre Entwicklung nahm erst zur Jahrtausendwende an Fahrt auf. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts hatte man die Herstellung von punktförmigen Nanoclustern und das Wachstum von 2D-Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) methodisch im Griff. Als man jedoch herausfand, dass sich 1D-Nanodrähte aus Halbleitermaterialien rationell und vorhersehbar in Einkristallformen synthetisieren ließen, "wobei alle Schlüsselparameter kontrolliert werden, einschließlich der chemischen Zusammensetzung, des Durchmessers und der Länge sowie der Dotierung und der elektronischen Eigenschaften", gab es kein Halten mehr. In dem Buchkapitel "Emergence of Nanowires" beschreiben Anqi Zhang, Gengfeng Zheng und Charles M. Lieber, wie sich Atome oder andere Bausteine zu Strukturen mit Durchmessern im Nanometerbereich, aber viel größeren Längen zusammensetzen lassen und geben einen Überblick über die Entwicklung der Technologie. Schon die frühen Arbeiten, so berichten die Springer-Autoren, konnten aufzeigen, "dass Halbleiter-Nanodrähte zu funktionellen elektronischen Bauelementen zusammengesetzt werden können, darunter gekreuzte p-n-Dioden, gekreuzte FETs, Logikgatter und Rechenschaltungen im Nanomaßstab sowie optoelektronische Bauelemente wie Leuchtdioden (LEDs) und Laser im Nanomaßstab." Mehr noch: Es deutete sich schnell an, dass sich verschiedene Nanodraht-Bausteine in einer Weise kombinieren ließen, wie es in der konventionellen Elektronik nicht möglich war. Nanodrähte avancierten weltweit zu einem attraktiven Forschungs- und Entwicklungsthema: Allein im Jahr 2014 hat die internationale Forschergemeinschaft rund 20.000 Publikationen zu dem Thema herausgebracht.

Forscher beobachten wachsende Nanodrähte

Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland laufen im Nanodraht-Wettrennen vorne mit. So war es etwa Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 2018 gelungen, das Wachstum winziger Drähte aus Galliumarsenid bei Untersuchungen an der Forschungslichtquelle Petra III des Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) quasi live zu verfolgen; die Ergebnisse stellten sie im Fachblatt "Nano Letters" vor. Für die Herstellung der Drähte nutzten die Karlsruher Wissenschaftler den selbstkatalysierenden Vapor-Liquid-Solid-Prozess (VLS-Prozess). Dabei werden winzige flüssige Galliumtröpfchen auf einen rund 600 Grad Celsius heißen Siliziumkristall aufgebracht. Danach wird dieser Wafer mit gerichteten Strahlen aus Galliumatomen und Arsenmolekülen bedampft, die sich in den Galliumtröpfchen auflösen. Nach einer gewissen Zeit beginnen unterhalb der Tröpfchen Nanodrähte zu wachsen. Die Galliumtröpfchen wirken hierbei als Katalysator für das Längenwachstum der Drähte, so die Karlsruher Forscher. "Dieser Prozess ist zwar recht etabliert, bisher lässt sich die Kristallstruktur so hergestellter Nanodrähte allerdings noch nicht gezielt steuern. Um dies zu erreichen, müssen erst die Details des Wachstums verstanden werden", betonte Ludwig Feigl, einer der Autoren der Studie. "Wir haben herausgefunden, dass für das Wachstum der Nanodrähte nicht nur der VLS-Prozess verantwortlich ist, sondern auch eine zweite Komponente, die wir in diesem Experiment erstmals direkt beobachten und quantifizieren konnten. Dieses sogenannte Seitenwand-Wachstum lässt die Drähte zusätzlich in die Breite wachsen", berichtete Erstautor Philipp Schroth.

Neuromorphes Rechnen

Wie man mit Nanodrähten zu neuen Rechnerarchitekturen gelangen kann, zeigt eindrucksvoll ein Arbeitsergebnis der Professuren für Materialwissenschaft und Nanotechnik (Gianaurelio Cuniberti) und für Grundlagen der Elektrotechnik (Ronald Tetzlaff) an der TU Dresden, das in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, aus Peking, aus Kalkutta, aus Pohang und aus Berkeley zustande kam. In "Nature Electronics" berichteten die Wissenschaftler im Mai dieses Jahres, wie aus Nanodrähten aufgebaute Transistoren wichtige Funktionsweisen des menschlichen Gehirns – dynamisches Speichern und Lernen – nachahmen können. "Eines der erklärten Ziele der Forschung im Bereich des neuromorphen Rechnens besteht darin, die selbstorganisierende und selbstregulierende Natur des Gehirns in Schaltkreisen wie auch in Materialien abzubilden – daher die Bezeichnung neuromorph", sagt Gianaurelio Cuniberti, der die Arbeit koordiniert hat.

 

In neuromorphen Computer-Architekturen verschmelzen Lern- und Gedächtnisfunktionen innerhalb einer einzigen Einheitszelle und auf neuronenähnliche Weise. Die Forschung auf diesem Gebiet habe sich bislang hauptsächlich auf die Plastizität künstlicher Synapsen konzentriert. "Die intrinsische Plastizität der neuronalen Membran ist jedoch auch für die Implementierung der neuromorphen Informationsverarbeitung von Bedeutung", heben die Autoren in Nature Electronics hervor. Unter der Plastizität eines biologischen Nervensystems versteht man die Eigenschaft, sich zur Anpassung laufender Prozesse nutzungsabhängig in Aufbau und Funktion zu verändern – also den elektronischen Schaltkreis, wenn erforderlich, von seinen einzelnen Schaltelementen aus neu auszurichten und aufzubauen. Dem Forscherteam gelang es, einen Neurotransistor aus einem Silizium-Nanodraht-Transistor aufzubauen, der mit einem ionendotierten Sol-Gel-Silikatfilm beschichtet und somit dazu in der Lage ist, die intrinsische Plastizität der neuronalen Membran nachzuahmen. Damit können leistungsstarke, schnelle und flexible, vom Gehirn inspirierte Algorithmen, wie sie zum Beispiel für die Künstliche Intelligenz benötigt werden, auf Hardware-Ebene ausgeführt werden. "Diese seit langem bestehende Vision ist durch die Arbeit des Forscherteams ein großes Stück näher gerückt", ordnet Cuniberti das Ergebnis ein.

Detektor aus Halbleiter-Nanodraht

Jüngst informierte auch die Universität Jena über einen Entwicklungserfolg auf dem Gebiet der Nanodrähte. Dort gelang es Wissenschaftlern gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Duisburg, Grenoble und Madrid, einen der kleinsten Röntgendetektoren weltweit mit einer Auflösung von gerade einmal 200 Nanometern zu entwickeln. Üblicherweise bewege sich die Auflösung solcher Detektoren maximal im Mikrometerbereich; über ihre Arbeit berichten die Forscher aktuell in "Nature Communications". Ihr Detektor besteht aus einem Halbleiter-Nanodraht aus Galliumarsenid – hergestellt an der Universität Duisburg-Essen –, der an beiden Enden jeweils unterschiedlich dotiert ist. In einen Teil des Halbleiters haben die Wissenschaftler Zink-Atome, in den anderen Teil Zinn-Atome eingebracht, um die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters zu beeinflussen. Zwischen den beiden unterschiedlichen Zonen existiert ein Grenzbereich, ein p-n-Übergang, an dem die Forscher mit einem etwa 80 Nanometer großen Röntgenstrahl Ladungsträgerpaare erzeugten. Dafür nutzten sie die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) im französischen Grenoble. "In dem elektrischen Feld des p-n-Übergangs werden die Elektronen-Loch-Paare – also die Ladungsträger, die die Röntgenstrahlung hervorruft – auseinandergetrieben. Dank detaillierter Röntgenanalysetechniken konnten wir beobachten, was in dem Feld mit den Elektronen passiert", berichtet Maximilian Zapf von der Universität Jena.

Schließlich entstand ein neues Werkzeug für die Nanowelt: Der Detektor, dessen Entwicklung das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Verbundforschung sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt haben, kann wertvolle Informationen bei der Untersuchung von Materialien liefern. "Viele Bauteile – etwa in Chip-basierten biochemischen Sensoren oder physikalischen Lichtquellen – werden immer kleiner", sagt Maximilian Zapf. "Unser Detektor könnte beispielsweise verwendet werden, um solche nanoskaligen Elemente zu prüfen und ihr Material zu charakterisieren."
 

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