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Metallisierte Graphen-Nanobänder bilden Drähte für die Vollkohlenstoffelektronik

Silizium ist seit Jahrzehnten das Material der Wahl für die Elektronik, stößt jedoch allmählich an Effizienzgrenzen. Der nächste Schritt könnten Kohlenstofftransistoren und -schaltungen sein. Jetzt haben Ingenieure an der UC Berkeley metallische Graphen-Nanobänder hergestellt, die als Drähte in einer solchen Vollkohlenstoffelektronik fungieren können.

Metallisierte Graphen-Nanobänder bilden Drähte für die Vollkohlenstoffelektronik

Moores Gesetz ist eine Theorie, die die Geschwindigkeit des technologischen Fortschritts beschreibt und behauptet, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip etwa alle zwei Jahre verdoppeln wird. Während es seit Jahrzehnten gilt, beginnt es sich in den letzten Jahren zu verlangsamen, wenn wir an die physikalischen Grenzen dessen gelangen, was mit Silizium möglich ist.

Kohlenstoff ist reichlich vorhanden, billig und in einer Vielzahl von Formen erhältlich. Er ist ein großartiger Anwärter, um das Moore'sche Gesetz am Laufen zu halten, insbesondere wenn Vollkohlenstoffschaltungen erreicht werden können. Graphit-, Diamant- und Kohlenstoffnanoröhren sind alle Formen von Kohlenstoff, die sich in verschiedenen elektronischen Bauteilen als nützlich erwiesen haben.

Am vielversprechendsten ist jedoch Graphen , ein nur ein Atom dickes Kohlenstoffgitter. Und selbst dies kann in verschiedenen Formen auftreten - als flache Blätter, zerknitterte Kugeln, winzige Quantenpunkte oder lange, dünne „Nanobänder“.

Es ist diese letzte Form, mit der das UC Berkeley-Team jetzt einen Durchbruch erzielt hat. Graphen-Nanobänder sind normalerweise Halbleiter, aber das Team hat es geschafft, sie in Metalle umzuwandeln, wodurch sie leitfähig sind und wie Drähte wirken können, um Elektronen um einen Stromkreis zu transportieren.

„Wir denken, dass die Metalldrähte wirklich ein Durchbruch sind“, sagt Felix Fischer, Autor der Studie. "Es ist das erste Mal, dass wir absichtlich einen ultra-schmalen metallischen Leiter - einen guten, intrinsischen Leiter - aus Materialien auf Kohlenstoffbasis herstellen können, ohne dass eine externe Dotierung erforderlich ist."

Um diese metallischen Nanobänder herzustellen, nähte das Team kurze Segmente unter Verwendung von Wärme zusammen, damit die Moleküle chemisch reagieren und sich zu einer längeren Kette verbinden. Am Ende war das Nanoband Dutzende von Nanometern lang und nur 1,6 Nanometer breit.

Als es fertig war, stellten die Forscher fest, dass die Nanobänder die elektronischen Eigenschaften eines Metalls hatten, wobei jedes Segment nur ein leitendes Elektron beisteuerte, das dann frei entlang des Bandes fließen kann. Und schließlich nahm das Team eine kleine Änderung an der Struktur vor, um die Leistung noch weiter zu steigern.

„Mit Hilfe der Chemie haben wir eine winzige Änderung erzeugt, eine Änderung in nur einer chemischen Bindung pro etwa 100 Atome, die jedoch die Metallizität des Nanobands um den Faktor 20 erhöht hat, und das ist aus praktischer Sicht wichtig Machen Sie dies zu einem guten Metall “, sagt Michael Crommie, Autor der Studie.

Während Kohlenstoffnanoröhren hervorragende Leiter sind und sich in der Elektronik als vielversprechend erwiesen haben, sind sie laut Team schwieriger im Maßstab herzustellen. Nanobänder sind leichter in der Masse zu machen , so dass alle Kohlenstoff-Elektronik mehr rentabel.

„Mit Nanobändern können wir mithilfe der Bottom-up-Fertigung chemisch auf eine Vielzahl von Strukturen zugreifen, was mit Nanoröhren noch nicht möglich ist“, sagt Crommie. „Dadurch konnten wir im Grunde genommen Elektronen zu einem metallischen Nanoband zusammennähen, was bisher noch nicht geschehen war. Dies ist eine der großen Herausforderungen auf dem Gebiet der Graphen-Nanoband-Technologie und warum wir uns so darüber freuen. “

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht .

Quelle: UC Berkeley