Nanoröhrentransistor: Computerchips aus Kohlenstoff?

Neben den von alters her bekannten Modifikationen des Kohlenstoffs wie Graphit und Diamant sind in jüngerer Zeit exotischere Formen dieses Elements in den Blick gerückt: Fullerene (kugelförmige Kohlenstoffmoleküle), die Kohlenstoffnanoröhren oder das Graphen (einlagiger Kohlenstoff). 

Die 1991 zufällig unter dem Elektronenmikroskop entdeckten Kohlenstoffnanoröhren wurden vielfach ausgezeichnet, für die erstmalige Herstellung des Graphens im Jahre 2004 gab es 2010 sogar den Nobelpreis. Wissenschaftler erhoffen sich von diesen Materialien große Innovationssprünge für viele Anwendungen – vor allem in der Halbleiterindustrie.

Schnell durch wenig Widerstand

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs, Carbon Nanotubes) und Graphen besitzen besondere physikalische Eigenschaften. In ihnen können vergleichsweise hohe Ströme schnell und nahezu widerstandsfrei fließen. Zukünftige Computerchips, die Transistoren auf Basis dieser Materialien verwenden, könnten Taktraten bis zu 1000 GHz erreichen, was etwa dem 200-fachen heute verfügbarer siliziumbasierter Chips entspricht.

Vielfältige Eigenschaften

Formal kann man sich Kohlenstoffnanoröhren wie durch das „Aufrollen“ einzelner Graphenlagen entstanden vorstellen. Je nachdem, mit welchem „Versatz“ diese Wicklung erfolgt, ergeben sich unterschiedliche elektronische Eigenschaften des CNTs. Gelingt es, CNTs mit Halbleitereigenschaften exakt und reproduzierbar herzustellen, so könnten sie als Herzstück extrem leistungsfähiger Transistoren in zukünftigen Prozessoren dienen.

Leicht, stabil, leitfähig

Auch die mechanischen Eigenschaften neuer Kohlenstoffmaterialien sind außergewöhnlich. So haben Kohlenstoffnanoröhren nur etwa ein Fünftel der Dichte von Stahl, sind aber gleichzeitig um ein Vielfaches zugfester. Die elektrische Leitfähigkeit von CNTs kann bis zu tausendfach höher sein als die von Kupfer, dem zweitbesten metallischen Leiter nach Silber, und auch die Wärmeleitfähigkeit ist etwa 2,5 mal so groß wie die von Diamant, dem besten natürlichen Wärmeleiter.

Nicht nur für Computer ein Zukunftsmaterial

Kohlenstoffnanoröhren ließen sich nicht nur für Computer einsetzen, sondern überall da, wo leichtes, materialsparendes und zugleich stabiles Material gebraucht wird. Sie ermöglichen neue Verbundmaterialien, die extrem leicht und stabil und gleichzeitig elektrisch leitfähig sind – wichtig beispielsweise im Flugzeugbau.

 

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