EU-finanziertes Team testet neues Halbleitermaterial
Die elektronischen Chips der Zukunft sind womöglich nicht aus Silikon oder gar Graphen, sondern bestehen aus einem Material namens Molybdänit (MoS2). EU-finanzierte und in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellte Forschungen zeigen, dass Molybdänit ein hochwirksamer Halbleiter ist, mithilfe dessen Transistoren sowohl kleiner, als auch energiesparender werden können. Die Arbeit erfuhr Unterstützung durch die EU im Rahmen des fünfjährigen Projekts FLATRONICS ("Electronic devices based on nanolayers"), einem Förderungsstipendium des Europäischen Forschungsrats (EFR) für Nachwuchswissenschaftler in Höhe von 1,8 Mio. EUR, verliehen im Jahre 2009 an Professor Andras Kis vom Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz. EFR-Stipendien werden über das Ideen-Programm des siebten Rahmenprogramms (RP7) gewährt. Molybdänit ist ein natürlich vorkommendes Mineral. Es wird gegenwärtig hauptsächlich als Element in Stahllegierungen und als Zusatzstoff in Schmiermitteln verwendet. Bisher ist sein Potenzial als Halbleiter kaum erforscht. "Molybdänit ist ein zweidimensionales Mineral, sehr dünn und problemlos in der Nanotechnologie anzuwenden", so Professor Kis, Leiter der aktuellen Studie. "Für die Herstellung kleiner Transistoren, Leuchtdioden (LEDs) und Solarzellen hat es echtes Potenzial." Laut Professor Kis und seinen Kollegen bietet Molybdänit erhebliche Vorteile gegenüber Silikon, das häufig in der Elektronik verwendet wird, und Graphen, dem meist untersuchten zweidimensionalen Material, dass allgemein als Elektronikmaterial der Zukunft betrachtet wird. Silikon ist ein dreidimensionales Material und somit voluminöser als Molybdänit, welches in Monoschichten hergestellt werden kann. "In einer 0,65 Nanometer dicken MoS2-Schicht können sich die Elektronen genauso leicht bewegen wie in einer 2 Nanometer dicken Schicht Silikon, es ist jedoch gegenwärtig nicht möglich, eine Silikonschicht herzustellen, die so dünn ist wie eine Monoschicht MoS2", erklärt Professor Kis. Darüber hinaus würden auf Molybdänit basierende Transistoren 100.000 Mal weniger Energie im Standby-Modus verbrauchen als herkömmliche Silikontransistoren. Zum An- und Ausschalten eines Transistors wird ein Halbleitermaterial mit einer "Bandlücke" benötigt. In der Physik werden "Bänder" zur Beschreibung der Energie von Elektronen in einem Material verwendet. Bei Halbleitern bezieht sich der Begriff "Bandlücke" auf den elektronfreien Abstand zwischen diesen Bändern. Ist diese Lücke weder zu groß, noch zu klein, können einige Elektronen über die Lücke springen, wodurch Forscher das elektrische Verhalten des Materials steuern und es ein und ausschalten können. Molybdänit verfügt über eine Bandlücke von 1,8 Elektronenvolt, was es zu einem idealen An- und Ausschalter von Transistoren macht. Die Bandlücke verschafft Molybdänit auch einen Vorteil über Graphen, welches im Ursprungszustand keine Bandlücke hat. Zwar ist es möglich, Graphen mit einer Bandlücke herzustellen, dies erhöht jedoch die Komplexität der Herstellung und führt zu anderen Problemen. "Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt hin zur Realisierung von Elektronik und integrierten Schaltkreise mit niedriger Standby-Leistung, die auf zweidimensionalen Materialien basieren. Als dünnes, transparentes, halbleitendes Material bieten MoS2-Monoschichten auch eine Vielzahl neuer Möglichkeiten in Bereichen wie mesoskopische Physik, Optoelektronik und Energy Harvesting", so die Forscher. "Durch die Möglichkeit der Herstellung großflächiger Schaltungen mithilfe lösungsbasierter Prozesse könnten unsere Erkenntnisse wichtig für die Produktion elektrischer Geräte sein, die die Leichtigkeit der Verarbeitung durch organische Leiter mit der Leistung, die in der Regel mit silikonbasierter Elektronik in Zusammenhang gebracht wird, verbinden."Weitere Informationen unter: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL): http://www.epfl.ch Nature Nanotechnology: http://www.nature.com/naturenanotechnology Europäischer Forschungsrat: http://erc.europa.eu/
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