Das gleiche Material, aus dem vor mehr als 60 Jahren die ersten primitiven Transistoren hergestellt wurden, kann einer neuen Studie zufolge auf neue Weise modifiziert werden, um die Elektronik der Zukunft voranzutreiben.
Chemiker an der Ohio State University haben die Technologie zur Herstellung einer ein Atom dicken Germaniumschicht entwickelt und festgestellt, dass sie Elektronen zehnmal schneller als Silizium und fünfmal schneller als herkömmliches Germanium leitet.
Die Struktur des Materials ist eng mit der von Graphen verwandt - einem vielbeschworenen zweidimensionalen Material, das aus einzelnen Schichten von Kohlenstoffatomen besteht. Als solches weist Graphen im Vergleich zu seinem häufigeren mehrschichtigen Gegenstück Graphit einzigartige Eigenschaften auf. Graphen muss noch kommerziell genutzt werden, aber Experten haben vorgeschlagen, dass es eines Tages schnellere Computerchips bilden und vielleicht sogar als Supraleiter fungieren könnte. Deshalb arbeiten viele Labors daran, es zu entwickeln.
Joshua Goldberger, Assistant Professor für Chemie am Ohio State, beschloss, eine andere Richtung einzuschlagen und sich auf traditionellere Materialien zu konzentrieren.
"Die meisten Menschen halten Graphen für das elektronische Material der Zukunft", sagte Goldberger. „Aber Silizium und Germanium sind immer noch die Materialien der Gegenwart. 60 Jahre Brainpower stecken in der Entwicklung von Techniken, um daraus Chips zu machen. Deshalb haben wir nach einzigartigen Formen von Silizium und Germanium mit vorteilhaften Eigenschaften gesucht, um die Vorteile eines neuen Materials zu nutzen, aber mit geringeren Kosten und unter Verwendung der vorhandenen Technologie. “
Das Element Germanium in seinem natürlichen Zustand. Forscher der Ohio State University haben eine Technik entwickelt, mit der ein Atom dicke Germaniumplatten für den späteren Einsatz in der Elektronik hergestellt werden können. Bildnachweis: Wikimedia Commons
In einem Artikel, der online in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht wurde, beschreiben er und seine Kollegen, wie sie eine stabile, einzelne Schicht von Germaniumatomen erzeugen konnten. In dieser Form wird das kristalline Material Germanan genannt.
Forscher haben bereits versucht, Germanan herzustellen. Es ist das erste Mal, dass es gelungen ist, eine ausreichende Menge davon anzubauen, um die Eigenschaften des Materials im Detail zu messen und zu zeigen, dass es stabil ist, wenn es Luft und Wasser ausgesetzt wird.
In der Natur neigt Germanium dazu, mehrschichtige Kristalle zu bilden, in denen jede Atomschicht aneinander gebunden ist. Die einatomige Schicht ist normalerweise instabil. Um dieses Problem zu umgehen, erstellte das Goldberger-Team mehrschichtige Germaniumkristalle mit zwischen den Schichten eingeklemmten Calciumatomen. Dann lösten sie das Kalzium mit Wasser weg und verstopften die leeren chemischen Bindungen, die mit Wasserstoff zurückblieben. Das Ergebnis: Sie konnten einzelne Schichten Germanan abziehen.
Germanan ist mit Wasserstoffatomen besetzt und chemisch noch stabiler als herkömmliches Silizium. Es oxidiert nicht in Luft und Wasser wie Silizium. Das macht es einfach, mit Germanan unter Verwendung herkömmlicher Chipherstellungstechniken zu arbeiten.
Das Wichtigste, was Germanan für die Optoelektronik wünschenswert macht, ist, dass es eine sogenannte "direkte Bandlücke" aufweist, was bedeutet, dass Licht leicht absorbiert oder emittiert wird. Materialien wie herkömmliches Silizium und Germanium weisen indirekte Bandlücken auf, was bedeutet, dass es für das Material viel schwieriger ist, Licht zu absorbieren oder zu emittieren.
„Wenn Sie versuchen, ein Material mit einer indirekten Bandlücke auf einer Solarzelle zu verwenden, müssen Sie es ziemlich dick machen, wenn Sie genug Energie durchlassen möchten, um nützlich zu sein.Ein Material mit einer direkten Bandlücke kann die gleiche Arbeit mit einem 100-mal dünneren Materialstück leisten “, sagte Goldberger.
Die ersten Transistoren wurden Ende der 1940er Jahre aus Germanium gefertigt und hatten etwa die Größe eines Daumennagels. Obwohl die Transistoren seitdem mikroskopisch klein geworden sind - Millionen von ihnen stecken in jedem Computerchip - birgt Germanium immer noch das Potenzial, die Elektronik voranzutreiben.
Nach Berechnungen der Forscher können sich Elektronen zehnmal schneller durch Germanan und fünfmal schneller durch Silizium bewegen als durch herkömmliches Germanium. Die Geschwindigkeitsmessung wird Elektronenmobilität genannt.
Germanane könnte mit seiner hohen Mobilität die erhöhte Belastung zukünftiger Hochleistungs-Computerchips tragen.
"Mobilität ist wichtig, weil schnellere Computerchips nur mit schnellerem Mobilitätsmaterial hergestellt werden können", sagte Golberger. "Wenn Sie Transistoren auf ein kleines Maß verkleinern, müssen Sie Materialien mit höherer Mobilität verwenden, da die Transistoren sonst einfach nicht funktionieren", erklärte Goldberger.
Als nächstes wird das Team untersuchen, wie die Eigenschaften von Germanan durch Ändern der Konfiguration der Atome in der einzelnen Schicht eingestellt werden können.
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