Ein Schritt in Richtung Nanoelektronik: Modelle und Mechanismen
Die wesentliche Entwicklung bei der modernen Elektronik und Optoelektronik besteht in der Erweiterung des Frequenzbereichs in den Terahertz- und Infrarotbereich hinein. Dies soll mit Nanotechnologie erreicht werden. Durch Nanoelektronik, deren grundlegende Komponenten über die Abmessungen von Atomen verfügen, wird die Integration von Bauelementen gesteigert und der Energieverbrauch gesenkt. Zu den Nanomaterialien, denen derzeit am meisten Aufmerksamkeit zuteilwird, zählen die kohlenstoffbasierten Nanostrukturen, darunter ein- und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (carbon naotubes, CNT), mehrschichtiger Kohlenstoff und Graphen. Die Forscher des EU-finanzierten Projekts CACOMEL (Nano-carbon based components and materials for high frequency electronics) untersuchten lineare und nichtlineare elektromagnetische Effekte bei nanostrukturiertem Kohlenstoff, der bei Nanoschaltungen verwendet wird. Die Forscher führten theoretische und experimentelle Untersuchungen der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen durch. Die Partner entwickelten ein Konzept für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Schaltungen mit nanoskaligen Komponenten auf Grundlage der klassischen Elektrodynamik und der Quantentransporttheorie in Nanostrukturen. Unter Berücksichtigung von Quantenkorrelationen und -tunnelung wurden klassische EMV-Konzepte sowie Spin-Spin- und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen überdacht. Das Konzept wurde durch CNT-basierte Verbindungen veranschaulicht. CACOMEL lieferte erste experimentelle Belege für lokalisierte Plasmonenresonanz bei Verbundwerkstoffen, die einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) enthalten, welche von der Länge der Nanoröhren abhängig war. Die Wissenschaftler entwickelten eine numerische Methode zur Berechnung der elektronischen Struktur punktueller Unreinheiten in den SWCNT. Durch einen Vergleich der dielektrischen und elektromagnetischen Eigenschaften im Mikrowellenfrequenzbereich zwischen Stickstoff-dotierten und reinen CNT-basierten Verbundwerkstoffen wurde die hohe Bedeutung der Dotierung deutlich. Experimentelle Beobachtungen zeigten eine elektromagnetische Verbesserung bei dotierten CNT, was dem theoretischen Modell der "Metallisierung" halbleitender CNT entsprach. Der Elektronentransport bei Kohlenstoff-Nanoverbindungen wurde mit Arrays aus Graphen-Nanobändern und CNT-Bündeln modelliert. Diese Modelle wurden auch zur Untersuchung der Herausforderungen bei Nanosystemen verwendet. Die Wissenschaftler synthetisierten hoch leitfähige, nanometrische, halbtransparente, pyrolytische Kohlenstoffschichten auf dielektrischen Substraten. Die Schichten verfügten über eine beeindruckend hohe Absorption von bis zu 50 % der Einfallleistung, was sie besonders interessant für elektromagnetische Abschirmungen macht. Die Untersuchung der Nichtlinearitäten dritter Ordnung bei SWCNT zeigte schließlich die Trägerlokalisierung sowie die Tunnelung durch Isolationsschichten zwischen leitenden Regionen. Insgesamt trug das CACOMEL-Projekt zur Entwicklung der Nanoelektromagnetik bei, einer neuen Forschungsdisziplin mit Relevanz für die Telekommunikation, Biomedizin und Cybersicherheit.
Schlüsselbegriffe
Nanoelektronik, nanostrukturierter Kohlenstoff, Terahertz, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen
