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Die IT-Materialien der Zukunft

Niels Bohr Institute [Foto: Ola Jakup Joensen, Niels Bohr Institute]

Foto: Ola Jakup Joensen, Niels Bohr Institute

Germanium, Gallium, Graphen: In den Laboren der Welt experimentieren Forscher mit neuen Stoffen, die Prozessoren schneller, Displays brillanter und Akkus stärker machen.

Auf der Suche nach neuen Materialien stoßen Forscher mittlerweile in Dimensionen vor, die nur noch schwer vorstellbar sind. Ein Transistor in einer aktuellen CPU ist mit einer Breite von 60 Nanometern schon jetzt hundertmal kleiner als ein E.-coli-Bakterium. Bei Displays bringen es die kleinsten Bauteile sogar nur noch auf eine Dicke von wenigen Atomschichten. In Zukunft soll die Basis unserer IT-Technik sogar noch kleiner werden. Materialforscher müssen deshalb ständig neue Hightech-Stoffe entwickeln, die sich auch in diesen winzigen Dimensionen noch gut verarbeiten lassen. Das "Wundermaterial" Graphen ist dabei längst nicht der einzige Stoff, mit dem derzeit experimentiert wird: Die Palette reicht von einlagigen Atomstrukturen für winzige CPUs bis hin zu klassischen Materialien wie Schwefel, die ungeahnte Potenziale für neue Akkus bergen.

Bessere Rechner

Materialien wie Germanium und Silicen machen kleinere Transistoren, schnellere CPUs und flexiblere Speichermedien möglich

Das Moore’sche Gesetz ist das Mantra der Halbleiterindustrie: Immer schneller und kleiner sollen Prozessoren werden. Um diesem Mantra weiterhin folgen zu können, müssen jedoch neue Materialien für die Transistoren-Herstellung gefunden werden. Denn Silizium stößt allmählich an seine physikalischen Grenzen. Ein Material, das derzeit als möglicher Nachfolger von Silizium gehandelt wird, ist Germanium. Dieser Halbleiter hat entscheidende Vorteile gegenüber Silizium: Sein geringerer Widerstand erlaubt die höhere Taktung von CPUs, ohne dass es zu kritischer Hitzeentwicklung kommt. Auch ist das Germanium-Kristallgitter enger als das von Silizium – Grundvoraussetzung für eine kleinere Bauweise von Transistoren. Mikrochips bestehen aus Millionen bis Milliarden Feldeffekttransistoren (FETs) zweierlei Typs: positiv leitende pFETs und negativ leitende nFETs. Während es pFETs aus Germanium bereits seit Längerem gibt, muss für nFETs noch immer Silizium herhalten – das aufgrund seiner Struktur ein weiteres Schrumpfen der Transistorgröße verhindert. Bis jetzt: Forscher der Purdue University (USA) um Ingenieur Peide Ye stellten vor Kurzem erstmals einen CMOS-Schaltkreis vor, bei dem auch die nFETs auf Germanium basieren.

Silizium-Verwandte mit Potenzial

Alex Demkov von der University of Texas sieht Germanium nicht nur als Basis für CPUs, es könnte auch die Speichertechnologie revolutionieren. Der Physiker hat errechnet, dass sich mit dem Halbleiter ein ferroelektrischer Feldeffekttransistor (FeFET) bauen ließe. Ein FeFET ist nicht flüchtig, er behält (wie EEPROMs im Flashspeicher) auch ohne Stromzufuhr seinen Zustand – lässt sich also als dauerhafter Datenspeicher nutzen. Ein Speicher aus FeFETs wäre dabei genauso schnell schreib- und lesbar wie heutige RAM-Speicher. Denkov hat das Gate als zentralen Bestandteil eines FeFETs im Labor konstruriert. Dazu brachte er auf einem Germanium-Block eine Bariumtitanat-Schicht auf. Jetzt tüftelt er an einer Methode, die anderen beiden FeFET-Elemente – Source und Drain – hinzuzufügen.

Als Silizium-Ersatz stehen neben Germanium auch sogenannte 2D-Monostrukturen hoch im Kurs, die aus nur einer Atomlage bestehen. Das bekannteste darunter ist das oft als „Wundermaterial“ bezeichnete Graphen. Diese Kohlenstoff-Verbindung ist jedoch kaum für die Herstellung von CPUs geeignet: Da das Material nahezu keinen elektrischen Widerstand leistet, lassen sich Transistoren aus Graphen nicht einfach an- und ausschalten. Hoffnung gibt jetzt das 2D-Material Silicen, das aus Siliziumatomen besteht. Zwar ist es schwieriger herzustellen als Graphen, dank seiner leicht welligen Struktur besitzt es allerdings eine sogenannte Bandlücke – eine Eigenschaft, die das Material steuerbar macht. Das Problem: Silicen löst sich an der Luft nach wenigen Minuten auf. Wissenschaftler arbeiten derzeit fieberhaft an Methoden, um das Material resistenter zu machen. Erste Ansätze wie eine Teflon-Schutzschicht gibt es bereits. Im Erfolgsfall wären einer weiteren Miniaturisierung von CPUs (vorerst) keine Grenzen gesetzt.

Immer kleinere Transistoren brauchen neben neuen Materialien auch neue Herstellungsverfahren. Spätestens ab einer Baustufe unter 10 Nanometern müssen Chiphersteller auf Nanodrähte als Transistoren zurückgreifen. Damit diese angesprochen werden können, benötigen sie einen elektrischen Kontakt zur Außenwelt – müssen also mit einem Metall verbunden werden. Bislang wurden Drähte und Kontakte in aufwendigen Verfahren separat hergestellt und später zusammengefügt. Forscher an der Universität Kopenhagen haben jetzt eine Methode entwickelt, die diesen Schritt überflüssig macht. Es ist ihnen gelungen, einen Hybrid-Nanodraht zu entwickeln, der bereits von Beginn an mit seinem elektrischen Kontakt verwachsen ist (siehe Abbildung rechts). Professor Thomas Sand Jespersen sieht das Potenzial seines neuen Ansatzes darin, dass dieser neben der Qualität auch die Reproduzierbarkeit der Halbleiter-Metall-Übergänge bei Nanodrähten deutlich verbessert – eine wesentliche Voraussetzung für eine spätere Kommerzialisierung. Er und sein Kollege Peter Krogstrup haben bereits gezeigt, dass sich ihre Hybrid-Drähte milliardenfach zu einem Chip kombinieren lassen. Die Forscher haben dabei jedoch nicht nur konventionelle Computer im Auge. Das von ihnen verwendete Metall – Aluminium – verfügt über Supraleitfähigkeit, wodurch die Drähte auch in Schaltkreisen zukünftiger Quantencomputer verwendet werden können.

Durchbruch beim Keramik-Supraleiter

Das größte Problem an Supraleitern ist allerdings, dass sie ihre widerstandslose Leitfähigkeit erst bei sehr geringen Temperaturen erreichen. Aluminium beispielsweise wird erst bei -272 Grad Celsius supraleitend. Es muss deshalb mit flüssigem Helium abgekühlt werden – ein sehr teurer Vorgang. Um Supraleiter und etwa darauf basierende Quantencomputer wirtschaftlich zu betreiben, müssten Materialien im Idealfall bereits bei Zimmertemperatur supraleitend sein. Das ist bislang undenkbar – aber wohl nicht unmöglich. Einem internationalen Team um den Max-Planck-Forscher Andrea Cavalleri ist es nun in einem Experiment gelungen, eine bestimmte Keramikverbindung durch Beschuss mit infraroten Laserblitzen für sehr kurze Zeit bei Zimmertemperatur supraleitend zu machen. Zwar hält der Effekt bislang nur – nein, das ist kein Tippfehler – wenige Millionstel Mikrosekunden an, doch die Ergebnisse des Experiments sind laut Cavalleri der erste Schritt hin zu einem zukünftigen Supraleiter, der ganz ohne Kühlung auskommt.

Sämtliche Fortschritte der Materialforschung, die die Geschwindigkeit von Computerchips und Speichermedien erhöhen sollen, wären jedoch umsonst, wenn nicht ein weiterer Flaschenhals aus der Welt geschafft würde: der Datentransfer. Die Informationen zwischen verschiedenen Prozessorkernen eines Chips oder zwischen Chips und Speichereinheiten flitzen bislang über klassische Kupferleitungen. Dieser Transportweg ist für die Zukunft aber ungeeignet, er würde schon auf Prozessorebene einen Megastau auf dem Datenhighway verursachen. Die ideale Lösung für den reibungslosen Datentransport wäre, anstelle von Metall-Leitern Licht einzusetzen. Doch bislang konnten Experten kein geeignetes Material finden, aus dem sich ein Laser konstruiereren ließe, der mit gängigen Chips kompatibel ist. Der Durchbruch gelang Ende Januar Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und des Paul Scherrer Instituts: Sie stellten einen Infrarotlaser vor, der aus einer Germanium-Zinn- Verbindung besteht. Dieses Material lässt sich in heutige Chips intergieren und könnte Computer nicht nur weiter beschleunigen, sondern auch deren Stromverbrauch drastisch reduzieren. Der Prototyp muss allerdings stark gekühlt werden, damit er funktioniert. Die Forscher arbeiten bereits an einer Lösung dieses Problems.

Quanten-Displays

Mit neuartigen Materialien lassen sich heute verwendete Bildschirmtechniken drastisch verbessern und völlig neue Displays bauen

TV-Hersteller wie Samsung und LG befinden sich in einem ständigen Wettstreit um das beste Display. Auf der CES 2015 stellten die beiden Konzerne UHD-TVs vor, die mit der sogenannten Quantenpunkt- Technik funktionieren. Damit lässt sich nicht nur die Farbpalette von Füssigkristallbildschirmen (LCDs) erweitern, sondern auch die Farbsättigung verbessern. Quantenpunkte sind Nanokristalle, die aus sogenannten Verbindungshalbleitern wie Indium-Gallium- Arsen bestehen. Abhängig von ihrer Größe sind sie in der Lage, Licht in genau definierbaren Wellenlängen abzugeben (siehe Abbildung rechts). Da sich die Größe von Quantenpunkten im Herstellungsprozess präzise festlegen lässt, können auch die durch sie erzeugten Farben sehr genau bestimmt werden. Wird nun in einem LCD eine transparente Folie mit Billionen (nein, das ist kein Übersetzungsfehler!) von roten und grünen Quantenpunkten vor einem blauen LED-Backlight angebracht, so entsteht weißes Licht, in dem alle drei RGB-Farbanteile mit derselben hohen Qualität vorhanden sind. Bei bisherigen weißen LED-Backlights fallen die Rot- und Grün-Anteile schwächer aus als der Blau-Anteil. Quantenpunkte gleichen dieses Ungleichgewicht in LCDs mit blauem LED-Backlight aus, was zu einer höheren Farbechtheit der Displays führt. Die feine Justierbarkeit der Quantenpunkte über alle erdenklichen Farbtöne hinweg führt außerdem dazu, dass ein Display mehr Farben als bislang darstellen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Quantenpunkt-Folien kostengünstig verarbeiten lassen, da sie mühelos in die bestehenden Herstellungsprozesse von Flüssigkristalldisplays integriert werden können. Das Resultat sind Bildschirme, die über eine ähnlich gute Bildqualität wie OLED-Displays verfügen, aber nur einen Bruchteil deren Investitions- und Herstellungskosten verursachen.

Transparente LEDs aus Graphen

Eine andere auf Nanomaterialien basierende Display-Technologie steht derzeit noch ganz am Anfang – hat aber das Potenzial, völlig neue Bildschirme hervorzubringen. Forscher der Universitäten Manchester und Sheffield haben den Prototyp eines semitransparenten Displays entwickelt, in das LEDs auf Graphen-Basis integriert sind. Das Display besteht aus verschiedenen übereinandergestapelten 2D-Kristallen und hat lediglich eine Dicke von zehn bis 40 Atomen. Es ist durchsichtig und in der Lage, über seine gesamte Oberfläche hinweg Licht zu erzeugen. Herzstück des Displays ist ein sogenannter Quantentopf, den die Wissenschaftler durch Kombination verschiedener eindimensionaler Kristallstrukturen erzeugen (siehe Grafik rechts). Elektronen verhalten sich darin in einer Weise, dass sie Photonen, also Licht gezielt abstrahlen. Nach Angaben der Forscher lässt sich durch die Auswahl des innenliegenden Materials (in diesem Fall Wolfram(IV)-sulfid) die Wellenlänge der abgegebenen Photonen und damit die Farbe der LED bestimmen. Da das Display auf einem flexiblen Graphen-Substrat konstruiert wurde, ist es nicht nur durchsichtig, sondern auch biegsam und könnte theoretisch einmal am Handgelenk getragen werden.

Stärkere Akkus

Das Handy jeden Tag ans Ladegerät hängen? Neuartige Akkus könnten diesem nervigen Ritual schon bald ein Ende bereiten

Smartphones werden immer schlanker und schneller. Das nützt jedoch nichts, wenn der Akku nicht mal einen Tag lang hält. Gerade in Zeiten von Mobile Computing und Wearables steigt die Nachfrage nach leistungsfähigen Batterien. Im Kern geht es dabei vor allem um die Energiedichte, also die Frage: Wie viele Ladungsträger kann ein Akku auf einem bestimmten Raum fassen? Übertragen auf die heute vorherrschende Lithium-Ionen-Technik bedeutet das: Je mehr Lithium-Atome in die Anode einer Batterie passen, desto mehr Energie kann sie speichern. Am effektivsten freilich wäre es, die Anode gleich komplett aus reinem Lithium zu bauen. Solche Versuche allerdings führten bisher dazu, dass Akkus bereits nach wenigen Ladezyklen nicht mehr funktionierten oder in Flammen aufgingen.

Dem Start-up SolidEnergy, eine Ausgründung des Massachusetts Institute of Technology, ist es nun gelungen, dieses Problem zu lösen. Durch die Kombination eines festen und flüssigen Elektrolyts (das ist der Stoff, durch den die Lithium-Ionen bei der Entladung wandern) wird die chemische Reaktion zwischen Lithium und flüssigem Elektrolyt verhindert, die einen Akku entzünden kann. Der feste Elektrolyt liegt quasi als Trennwand zwischen dem Lithium und dem flüssigen Elektrolyt. Zwar leitet er Ionen schlechter als ein flüssiger Elektrolyt, er ist allerdings so dünn, dass dieser Nachteil nicht zum Tragen kommt. Diese neue Bauweise erhöht die Energiedichte enorm (siehe rechts oben). In ersten Tests haben solche Zellen nach 300 Ladezyklen nur 20 Prozent ihrer Speicherkapazität verloren – ein mit heutigen Smartphone-Akkus vergleichbarer Wert.

Zukunftsbatterien mit Luft und Wasser

So verbreitet Lithium-Ionen-Akkus bei Smartphones auch sein mögen, für Elektroautos sind sie nicht optimal. Die Energiedichte ist für diesen Anwendungsfall zu gering, was dazu führt, dass Elektroautos bislang auf schwer akzeptable 150 Kilometer Reichweite beschränkt sind. Zudem sind die Kathoden-Materialien relativ teuer, in einer Lithium- Ionen-Zelle kommen etwa Mangan oder Cobalt zum Einsatz (siehe Grafik rechts unten). Deshalb haben sich 2014 vier Fraunhofer-Institute im Projekt „LiScell“ zusammengeschlossen, um an Lithium- Schwefel-Batterien (Li-S) zu forschen. In Li-S-Zellen ließe sich das bisher teure Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus durch kostengünstigen, ungiftigen Schwefel ersetzen. Zudem wollen die Forscher damit die Energiedichte um mindestens 60 Prozent erhöhen.

Noch höhere Energiedichten lassen sich nur mit Metall-Luft-Batterien erzielen. Leider gehen Anoden aus Metallen wie Aluminium durch die elektrochemischen Prozesse in einer Zelle schnell kaputt. Die japanische Firma Fuji Pigment hat jetzt bekanntgegeben, eine neuartige Zelle aus Aluminium und Luft (!) herstellen zu können. Die Alu-Elektrode soll mindestens 14 Tage lang halten, weil sie laut Hersteller durch eine Keramikschicht geschützt wird. Laut Fuji Pigment ist die theoretische Energiedichte 40-mal höher als die von Lithium- Ionen-Zellen. Und das Besondere: Zum Betrieb muss lediglich ab und zu Wasser nachgefüllt werden.

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