Graphen nimmt Hürde auf dem Weg zum Computerchip

Graphen leitet Elektrizität so gut, dass es für manche Anwendungen in seiner normalen Form nicht geeignet ist. Dem Material fehlt eine Bandlücke, wie sie Halbleiter wie Silizium besitzen. Ohne diese können zum Beispiel keine Schaltungen durch Stromkreise realisiert werden, da der Stromfluss nicht abgestellt werden kann. Bei Halbleitern fließt unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts kein Strom, die Leitfähigkeit von Graphen hingegen lässt sich im normalen Zustand nicht durch die Spannung modulieren. Forscher des “Science and Technology Facilities Council” in Großbritannien haben jetzt aber herausgefunden, dass zwei übereinandergelegte Schichten Graphen eine Bandlücke aufweisen können und das Material so im Prinzip zum Halbleiter werden kann.

“Die Lücke tritt nur auf, wenn die zwei Schichten nicht genau übereinander gestapelt werden, sondern die zweidimensionalen Kohlenstoffgitter der Schichten gegeneinander verschoben werden. Zudem muss ein elektrisches Feld im rechten Winkel zu den Schichten angelegt werden. Durch die Stärke des Feldes kann die Größe der Bandlücke beeinflusst werden”, sagt Søren Ulstrup von der Universität Aarhus, der an dem Forschungsprojekt beteiligt war, gegenüber der futurezone. Das zweischichtige Material wird hergestellt, indem Siliziumcarbid, eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, erhitzt wird. Dabei verdampft der Silizium-Anteil der obersten Schicht und es bleiben die Kohlenstoffatome in einer Anordnung in zwei Schichten übrig. Um dieses zweischichtige Graphen von der Siliziumcarbid-Unterlage zu trennen, wird eine Schicht aus Wasserstoff-Atomen zwischen den Materialien eingeführt.

Materialfehler

Bei dieser Art der Produktion treten allerdings winzige Unregelmäßigkeiten im Material auf, die dazu führen können, dass es zu Kurzschlüssen kommt. Dann verhält sich das Material wie ein Metall statt wie ein Halbleiter. Solche Unregelmäßigkeiten in der Ausrichtung der Schichten zueinander und Fehler im Material machen eine Verwendung als Ersatz für Silizium in Mikrochips derzeit unmöglich. Allerdings haben die Forschungsarbeiten gezeigt, dass winzige Fehler nicht verhindern, dass Ladungen über eine gewisse Zeit im Material gespeichert werden können. “Die Herstellung hocheffizienter photoelektrischer Geräte, wie Solarzellen, Photosensoren oder Dioden, sollte möglich sein, da Ladungen durch Licht angeregt werden und für eine ausreichend lange Zeit gespeichert werden können”, so Ulstrup.

Den Beweis dafür haben die Forscher angetreten, indem sie Elektronen durch Anregung mit einem Infrarot-Laserimpuls aus dem Valenzband über die Bandlücke ins Leitungsband gehoben haben. Diese heißen Elektronen werden dann durch einen zweiten Laserpuls im ultravioletten Spektrum photoemittiert und gemessen. Die Laserpulse sind dabei zeitlich nur 40 Femtosekunden voneinander getrennt (eine Femtosekunde entspricht 0,000000000000001 Sekunden), wodurch bei mehreren Pulsen eine Art Film entsteht, der den energetischen Zerfall dieser heißen Teilchen dokumentiert. “So konnten wir zeigen, dass in den Energieniveaus genau über der Bandlücke die Elektronen steckenbleiben. Wenn das lange genug passiert, können wir ihre Energie in einem tatsächlichen Schaltkreis nutzen und etwa Photovoltaikelemente konstruieren”, erklärt Ulstrup. So ließe sich Sonnenlicht sehr effizient nutzen, da Graphen viele verschiedene Wellenlängen absorbieren kann. Dabei sind auch die Materialdefekte kein Hindernis.

Vorerst keine Prozessoren

Um einen Computerchip aus Graphen herzustellen, müsste das Herstellungsverfahren deutlich verbessert werden. “Wir bräuchten eine Probe mit Bandlücke, die nicht durch strukturelle Unregelmäßigkeiten kompromittiert ist. Das bedarf der Massenproduktion von Graphen im Wafer-Maßstab. Der Prozess müsste zudem preislich mit SiIizium mithalten können. Dazu müssen noch viele Hindernisse überwunden und viel Forschung betrieben werden”, so Ulstrup. Dieser Aufwand könnte sich aber durchaus auszahlen. Mit Graphen ließen sich Mikrochips mit viel höheren Taktfrequenzen herstellen, als mit Silizium. “IBM hat vor vier Jahren 100 in einschichtigem Graphen Frequenzen von 100 Gigahertz erreicht, aber eben ohne Bandlücke, die ein Abschalten des Stromflusses erlaubt”, so Ulstrup.