Empa-Forscher stellen Graphen-Transistoren her

Nanos ist griechisch und heisst "Zwerg" - alles mit der Vorsilbe ist winzig. So auch die Transistoren aus Graphen-Nanobändern, die Empa-Forscher hergestellt haben. Aber es ging beim Graphen nicht um die weitere Verkleinerung, sondern darum, dass das Material in genau der gewünschten Abmessung und mit genau definierter Struktur hergestellt werden kann. Und das auf Nanoskala, das heisst im Grössenbereich von 0,000000001 Millimeter.

Graphen sieht aus wie eine superdünne Bienenwabe

Graphen besteht aus aneinandergehängten Kohlenstoff-Sechsringen. Das Material mit den speziellen elektronischen und optischen Eigenschaften kann man sich als Bienenwabe vorstellen – allerdings so dünn, dass es eigentlich nur zwei Dimensionen hat.

Für die Erforschung von Graphen gab es 2010 den Physik-Nobelpreis – die Redaktion traf den Nobelpreisträger Kostya Novoselov am CSEM Business Day.

Die EMPA-Forscher, in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und der Universität von Kalifornien, Berkeley, haben "Graphen-Bändchen" mit einer Breite von 9 oder 13 Atomen, das entspricht etwa einem Nanometer, und einer Länge von bis zu 50 Nanometern hergestellt.

Die Bändchen stellten sie durch chemische Synthese her, da andere Herstellmethoden wie druckerähnliche oder das "Aufschneiden" von Carbon-Nanoröhrchen Graphen-Bändchen mit zackigen Rändern ergeben. Mit der chemischen Herstellung schaffen es die Forscher, die Ränder der Bändchen zu "glätten", damit wird Graphen zum Halbleiter und kann für winzig kleine Transistoren verwendet werden.

Winzige Graphen-Transistoren gebaut

Die nächste Herausforderung war, die anderen Bauteile eines Transistors in gleicher Winzigkeit zu fabrizieren, insbesondere das dielektrische Gate, die Verbindungsstelle zwischen Halbleitermaterial und elektrischem Schalter. Üblicherweise wird der Kontakt aus Siliziumdioxid gefertigt. Um ein viel kleineres, dünneres Gate zu erhalten, mussten die Forscher Hafniumoxid benutzen. Damit konnten sie ein Gate von eineinhalb Nanometern realisieren und erhielten einen gut funktionierenden Winzigtransistor.

Die verbleibende Herausforderung: man kann zwar die Bändchen selbst kontrolliert herstellen, aber der Einbau in den Transistor erfolgt noch zufällig. Auf dem Substrat- ein Goldplättchen- liegen die Graphen-Bändchen kreuz und quer, statt nebeneinander ausgerichtet, wie es ideal wäre. Daher funktionieren momentan nur etwa 10 Prozent der Nano-Transistoren.

Die Forscher haben diese Ergebnisse im September 2017 im Fachjournal Nature Communications mitgeteilt.