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08.03.2007
Werden Siliziumchips bald durch solche aus Graphen abgelöst? (Bild: IBM) Werden Siliziumchips bald durch solche aus Graphen abgelöst? (Bild: IBM)

Hype um die Graphene

Erforschung der zweidimensionalen Kohlenstoffkristalle macht Fortschritte

Von Ralf Krauter

Physik. - Graphene, nur ein Atom dicke Filme aus kristallinem Kohlenstoff gehören zu den interessantesten Themen in der Physik. Das zeigt die Zahl der zum Thema veröffentlichen Fachartikel. Auf der Tagung der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft in Denver gab es gleich eine ganze Reihe von Sessions über das neue Wundermaterial.

Graphene sind zweidimensionale Kristalle aus reinem Kohlenstoff, die es laut gängiger Theorie eigentlich gar nicht geben dürfte. Als britische Forscher die ultradünnen Schichten 2004 erstmals unter dem Mikroskop entdeckten, machte das deshalb Furore. Den Physikern war eine völlig neue Erscheinungsform von Kohlenstoff vor die Füße gepurzelt, die sich deutlich von den in der Natur vorkommenden Varianten Diamant und Graphit unterscheidet: Ein neues Material, das nicht nur enorm stabil ist, sondern auch ein hervorragender Strom- und Wärmeleiter. Kein Wunder also, dass Wissenschaftler in aller Welt Graphene seitdem eifrig untersuchen. Zum Beispiel Pablo Jarillo-Herrero von der New Yorker Columbia University.

"Graphene sind in zweierlei Hinsicht sehr spannend. Da ist zum einen der theoretische Aspekt: Graphene sind nur eine Atomlage dick und deshalb die dünnsten Materialfilme, die es überhaupt jemals geben kann. Wenn sich Elektronen durch das zweidimensionale Kristallgitter aus Kohlenstoffatomen bewegen, dann gehorchen sie dabei näherungsweise den Gesetzen der Dirac-Gleichung. Das ist sehr ungewöhnlich, denn diese Gleichung wird normalerweise nur in einem ganz anderen Gebiet verwendet, nämlich um das Verhalten von Elementarteilchen zu beschreiben - zum Beispiel das von Neutrinos."

Diese überraschende Analogie zwischen Teilchen- und Festkörperphysik ist für Theoretiker eine willkommene Spielwiese - weshalb sich unter anderem auch Frank Wilczek für Graphene interessiert, jener Teilchenphysiker also, der 2004 für seinen Beitrag zur Quark-Theorie den Nobelpreis bekommen hat. Pablo Jarillo-Herrero dagegen erkundet mögliche praktische Anwendungen der neuen Kohlenstoff-Modifikation:

"Ihre fantastischen mechanischen und elektrischen Eigenschaften machen Graphene sehr spannend für die Mikroelektronik. Und das hat das Interesse der Halbleiterindustrie geweckt."

Mittlerweile investieren alle namhaften Unternehmen der Branche Millionen in die Erforschung der ultradünnen Kohlenstoff-Schichten. Unter Experten werden sie teils schon als Nachfolger von Silizium gehandelt. Das Potenzial scheint enorm: Weil Graphene Strom und Wärme hervorragend leiten, lassen sich mit ihnen vielleicht einmal deutlich kompaktere und schnellere Prozessoren bauen, als bislang möglich. Erste Transistoren auf Graphen-Basis wurden bereits demonstriert - unter anderem von Pablo Jarillo-Herrero und seinen Kollegen, die vergangene Woche auch im Fachmagazin "Nature" über ihre Arbeiten berichteten. Aber noch steckt die Technologie in den Kinderschuhen. Bislang werden die gefragten Kohlenstofffilme reichlich hemdsärmlig hergestellt, indem herkömmliches Graphit auf gewöhnliches Klebeband gestäubt und dann mit Silizium bedampft wird. Jarillo-Herrero:

"Eine zuverlässigere Fertigungsmethode entwickeln derzeit verschiedene Labors weltweit. Als Ausgangsmaterial dient dabei Siliziumkarbid - ein kristallines Material aus Silizium und Kohlenstoff, das die Halbleiterindustrie bereits heute verwendet. Wenn sie eine Scheibe dieses Siliziumkarbids auf rund 1400 Grad erhitzen, dann verdampft ein Teil der Siliziumatome an ihrer Oberfläche. Die zurück bleibenden Kohlenstoffatome bilden dann jene sechseckigen Gitterstrukturen, die Graphene auszeichnen."

Es sieht also so aus, als ließen sich die Graphitfilme, die eine Million Mal dünner sind als ein Blatt Papier, mit eben jenen Technologien herstellen und bearbeiten, die bereits heute gängig sind. Ein entscheidender Vorteil gegenüber den mit Graphenen eng verwandten Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. In die wurden nach ihrer Entdeckung Anfang der 1990er Jahre ähnlich große Hoffnungen gesetzt. Erfüllt haben sie sich bislang aber nur ansatzweise, weil Verfahren zur effizienten Produktion und Anordnung der winzigen Kohlenstoff-Makkaroni bis heute Mangelware sind. Wie so viele Graphen-Forscher hat auch Pablo Jarillo-Herrero früher mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen experimentiert. Mittlerweile widmet er sich primär dem neuen Wundermaterial. Den gegenwärtigen Hype hält er für gerechtfertigt. Seine Prognose für 2007: Mindestens doppelt so viele Fachartikel über die flachen Kohlenstoff-Kristalle wie im vergangenen Jahr.