Forschungserfolg Neue Hoffnung für Graphen-Transistoren

Im Bild ist die erste Probe von Graphen in einer elektronischen Komponente. Andre Geim und Konstantin Novoselov schenkten sie 2010 dem Nobelmuseum.
Im Bild ist die erste Probe von Graphen in einer elektronischen Komponente. Andre Geim und Konstantin Novoselov schenkten sie 2010 dem Nobelmuseum.

Graphen wird die Technik-Welt revolutionieren, hieß es vor einigen Jahren. Physiker der University of California haben nun einen Durchbruch erzielt, der das Material wieder auf den Plan rufen könnte. Ihre Studie zeigt einen unkonventionellen Weg, um praktikable Graphen-FETs zu realisieren.

Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs, gilt seit einiger Zeit als das Wundermaterial zukünftiger Informationstechnologie. Die Forscher Konstantin Novoselov und Andre Geim konnten die einschichtigen Kristalle 2004 erstmals isolieren und deren unerwartet stabilen Eigenschaften aufzeigen. Ihre Arbeit wurde mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Graphen besitzt die höchste Zugfestigkeit, die je ermittelt wurde (etwa 125 Mal höher als bei Stahl) und ist extrem leitfähig. Ein Beispiel gefällig? Entwickler konnten einen Versuchs-Transistor letztes Jahr auf 427 GHz takten. 427 GHz, das ist etwa 200 Mal so schnell wie ein aktuelles MacBook Pro.

Das große Problem für die praktische Verwendung des Materials in elektronischen Bauteilen ist jedoch, dass Graphen im Gegensatz zu Halbleitern keine Bandlücke (energetischer Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband eines Festkörpers) besitzt. Einfach formuliert könnte man sagen: Elektronen fließen bei jeder Stromstärke. In Laboren ist es zwar gelungen, durch elektrische Felder, Anlagerung von Atomen oder physische Bearbeitung des Graphens eine künstliche Bandlücke zu generieren. Diese ist aber viel zu klein, um an einen praktikablen Einsatz in digitalen Schaltkreisen auch nur zu denken.

Nun scheinen einige schlaue Köpfe eine Lösung gefunden zu haben, wie man das Problem lösen und Graphen damit erfolgreich für die Realisierung von Transistoren einsetzen könnte. In einem Bericht der MIT Technology Review heißt es, die Wissenschaftler aus Riverside hätten einen Weg gefunden, Graphen im Sinne eines Schalters einzusetzen. Genau das ist entscheidend für die Informationsverarbeitung und war bisher das große Manko des Materials.

Die Forscher um Guanxiong Liu nutzen das Phänomen namens »Negativer differentieller Widerstand«, um ein transistorähnliches Verhalten zu erzielen. In einem bestimmten Arbeitsbereich sinkt bei steigender Stromstärke die Spannung. Die Wissenschaftler konnten in einem Experiment zeigen, dass Graphen unter gewissen Umständen einen negativen Widerstand aufweist. Daraus leiten sie ihre Idee für den Betrieb eines Graphen-Transistors ab: Denn wenn man eben jene Umstände herbeiführen kann, lässt sich der Abfall der Spannung – ähnlich wie bei einem Schalter – zur Übertragung binärer Signale nutzen.

Die Arbeit der Amerikaner zeigt in der Theorie, wie mehrere Graphen-FETs (Feld-Effekt-Transistoren) zusammengeschaltet und angesteuert werden können, um letztendlich konventionelle Logikgatter zu produzieren. Mit Erfolg: Die Wissenschaftler haben auf dem Papier einen Graphen-basierten Schaltkreis designt, der einige Vorteile gegenüber Silizium bietet.

So können Liu und ihre Mitarbeiter theoretisch XOR-Gatter aus nur drei Graphen-FETs bauen, anstatt mit acht oder mehr aus Silizium. Das würde in der Praxis zu einer deutlichen Platzersparnis auf dem Chip führen. Nicht zu vergessen, dass Graphen-Transistoren bei Frequenzen jenseits von 400 GHz arbeiten. Insgesamt entstünde so ein System, das »einige Größenordnungen über allen bekannten oder geplanten skalierbaren Schaltungen« liegt, resümieren die Forscher in der Studie.

Natürlich ist noch einiges an Entwicklung und praktischen Tests nötig, der neue Ansatz muss zunächst umgesetzt werden und sich in der Praxis bewähren. Gerade die Fragen nach Energiebedarf und thermischen Eigenschaften werden dabei eine gewichtige Rolle spielen. Aber die Idee aus Riverside könnte ein konzeptionelles Umdenken anregen – und ein entscheidender Schritt für die Zukunft des Graphens und damit der Informationstechnik sein.