Konkurrenz für Graphen Wird Zinn der Supraleiter für Halbleiterchips?

Gibt man Fluoratome (gelb) zu dem Zinn (grau) würde sogar bei +100 °C Strom mit 100 Prozent Effizienz an den Rändern des Materials (blaue und rote Pfeile) fließen
Gibt man Fluoratome (gelb) zu dem Zinn (grau) würde sogar bei +100 °C Strom mit 100 Prozent Effizienz an den Rändern des Materials (blaue und rote Pfeile) fließen

Nach Berechnungen von theoretischen Physikern des SLAC und der Stanford University kann eine einzelne Schicht Zinnatome Strom sogar oberhalb der Raumtemperatur mit 100 Prozent Effizienz leiten. Dieses Material namens »Stanen« könnte als Supraleiter in Halbleiterchips verwendet werden.

»Stanen könnte die Geschwindigkeit künftiger Generationen von Computerchips steigern und deren Energiebedarf senken, wenn unsere Vorhersage durch Experimente bestätigt wird, die in mehreren Laboratorien auf der ganzen Welt laufen«, freut sich der Teamleiter, Shoucheng Zhang, Physik-Professor am Stanford-Institut für Material- und Energie-Wissenschaften (SIMES). Die Arbeit des Teams wurde kürzlich im Physical Review Letter veröffentlicht.

Die Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums und der Stanford University haben das neue Material Stanen genannt. Sie kombinierten den lateinischen Namen für Zinn (stannum) mit dem Suffix, das in Graphen verwendet wird, einem anderen Single-Layer-Material, dessen neuartigen elektrischen Eigenschaften eine breite Palette neuer Anwendungen verspricht.

So fand man Stanen

Seit zehn Jahren haben sich Zhang und seine Kollegen mit den elektrischen Eigenschaften einer besonderen Klasse von Materialien beschäftigt: topologische Isolatoren. Diese Materialien leiten elektrischen Strom nur auf ihren Außenkanten oder -flächen und nicht durch ihr Inneres. Wenn topologische Isolatoren nur eine Atomlage dick sind, leiten ihre Ränder Strom mit 100 Prozent Effizienz. Diese ungewöhnlichen Eigenschaften resultieren aus komplexen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und Kernen von schweren Atomen in diesen Materialien.

»Die Magie der topologischen Isolatoren besteht darin, dass sie von Natur aus Elektronen zwingen, sich in definierten Bahnen ohne Geschwindigkeitsbegrenzung zu bewegen – wie auf deutschen Autobahnen«, erläutert Zhang. »Solange sie auf der Autobahn sind – die Kanten oder Flächen – reisen die Elektronen ohne Widerstand.«

In den Jahren 2006 und 2009 sagte Zhangs Gruppe vorher, dass Quecksilber-Tellurid und mehrere Kombinationen von Wismut, Antimon, Selen und Tellur topologische Isolatoren seien, was bald rechts durch Experimente Dritter bestätigt wurde. Aber keines dieser Materialien bietet eine perfekte Stromleitung bei Raumtemperatur, was ihr Potenzial für kommerzielle Anwendungen einschränkte.

Anfang dieses Jahres arbeitete der Gastwissenschaftler Yong Xu (Tsinghua-Universität, Peking) mit Zhangs Gruppe, um die Eigenschaften einer einzelnen Schicht aus reinem Zinn näher zu prüfen. »Wir wussten, wir sollten uns auf Elemente in der unteren rechten Teil des Periodensystems beschränken«, sagte Xu. »Denn alle bisherigen topologischen Isolatoren beinhalten diese schweren und elektronenreichen Elemente in diesem Bereich des Periodensystems.«

Die Berechnungen zeigten, dass eine einzige Schicht Zinnatome bei und oberhalb der Raumtemperatur als topologischer Isolator wirken würde. Und durch Zugabe von Fluoratomen zu dem Zinn würde sich der Betriebsbereich auf mindestens +100 °C erweitern.

Letztlich ein Ersatz für Silizium?

Als erste Anwendung für diese Stanen-Fluor-Kombination sieht Zhang in der Verdrahtung der verschiedenen Teile von Mikroprozessoren. Auf diesen Bahnen können die Elektronen so frei fließen, wie Autos auf einer Autobahn. »Verkehrsstaus gibt es dann aber immer noch an Auf- und Abfahrten zu den herkömmlichen Leitern aus Silizium, Aluminium oder Kupfer«, meint der Forscher. Dennoch sollte die Stanen-Verdrahtung den Stromverbrauch und Wärmeentwicklung von Mikroprozessoren deutlich reduzieren.

Die Herausforderungen für die Fertigung bestehen darin, wirklich nur eine einzelne Schicht aus Zinn aufzubringen und diese einzelne Schicht während der Hochtemperatur-Chipprozesse intakt zu halten.