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Sollten sich die Vorteile der Nanotechnologie in einer Serienproduktion von Elektronikschaltungen tatsächlich verwirklichen lassen, würde das längere Batterielaufzeiten, schnellere Funktechnik und schnellere Datenverarbeitung für zum Beispiel Smartphones und Laptops mit sich bringen.
Aber viele Herausforderungen haben die Entwicklung von Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren mit hoher Performance verhindert – diese winzigen Zylinder, die aus atomdünnem Kohlenstoff bestehen. Daher reichte deren Leistung bei Weitem nicht an Halbleiter, wie Silizium und Galliumarsenid, heran, die in Computerchips und persönlicher Elektronik verwendet werden. Nunmehr gelang Experten von der University of Wisconsin-Madison, erstmals die Fertigung eines Transistors aus Kohlenstoffnanoröhren, der besser als aktuelle Siliziumtransistoren oder GaAs-Versionen abschneidet. Das Forscherteam unter der Leitung der Professoren Michael Arnold und Padma Gopalan erzielte mit dem neuen Transistortyp Ströme, die 1,9-fach höher sind als die von Siliziumtransistoren. Der Forschungsbericht erschien in «Science Advances».
Dieser Fortschritt könnte den Weg der Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren zum Ersatz der Siliziumtransistoren ebnen und weiterhin die Leistungssteigerungen liefern, auf die sich die Computerindustrie verlässt und die Verbraucher für ihre Elektronikgeräte fordern. Die neuen Transistoren sind besonders erfolgsversprechend für die Funkkommunikation, die einen hohen Stromfluss auf einer relativ kleinen Fläche erfordert. Wenn man Messungen an einzelnen Nanoröhren hochrechnet, dann sollten entsprechende Transistoren eine 5-fach bessere Performance bieten, oder 5-mal weniger Energie verbrauchen als Siliziumtransistoren.
Die besonders winzigen Abmessungen der Nanoröhren machen es möglich, ein durchlaufendes Stromsignal schnell zu ändern, was zum Beispiel für die Bandbreite in Funkkommunikationsgeräten sehr von Vorteil ist. Aber Forscher haben mit der Isolation reiner Kohlenstoffnanoröhren Schwierigkeiten, denn metallische Nanoröhrenunreinheiten agieren wie Kupferleitungen und unterbrechen deren Halbleitereigenschaften – wie ein Kurzschluss in einem Elektronikbauelement. Das Forscherteam benutzte daher Polymere, um die halbleitenden Nanoröhren selektiv auszusortieren. Man erreichte dadurch eine Lösung mit ultrareinen halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren.
Derzeit arbeiten die Forscher an der Adaptierung ihrer Transistoren an die Geometrien, die Siliziumtransistoren aufweisen, die ja mit jeder neuen Generation kleiner werden.
University of Wisconsin-Madison
www.wisc.edu
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