ETH Lausanne überwindet Silizium-Grenzen

Nachdem Forscher der ETH Lausanne (EPFL) bereits Anfang Jahr die elektronischen Eigenschaften von Molybdänit entdeckt haben, gelingt ihnen nun ein weiterer wichtiger Schritt. Das EPFL-Labor für Elektronik und nanometrische Strukturen (LANES) hat einen integrierten Schaltkreis (Mikrochip) mit Transistoren aus Molybdänit entwickelt. Wie die Versuche zeigen, durchbricht dieses Mineral die physikalischen Grenzen des Siliziums in Bezug auf Miniaturisierung, Energieverbrauch und mechanische Flexibilität. «Wir haben einen ersten Prototypen entwickelt, bei dem zwei bis sechs Transistoren in Reihe geschaltet sind. Dies zeigt, dass binäre Operationen möglich sind und dass auch grössere Schaltkreise realisiert werden können», erklärt Andras Kis, Verantwortlicher am LANES. Kürzlich hat er zwei Artikel zu diesem Thema in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht. Das LANES hat das grosse Potenzial des Molybdänsulfits (MoS2) Anfang 2011 entdeckt. Das Mineral Molybdän kommt in der Natur in grossen Mengen vor. Seine Struktur und seine Halbleiter-Eigenschaften machen es zum idealen Material für Transistoren. Es konkurrenziert direkt das Silizium, das in der Elektronik zurzeit am häufigsten verwendet wird. In mehreren Bereichen macht es auch dem Graphen Konkurrenz. Lesen Sie auf der nächsten Seite: Die Vorteile der Chips aus MoS2

«Der grösste Vorteil des Molybdänsulfits ist, dass kleinere Transistoren gebaut werden können und dass damit die Miniaturisierung vorangetrieben wird», ergänzt Kis. Mit Silizium liessen sich bisher keine Chips herstellen, die dünner als zwei Nanometer sind. Bei dünneren Chips führt oft eine chemische Reaktion zur Oxydation der Oberfläche und zur Beeinträchtigung der elektronischen Eigenschaften. Mit Molybdänit können nun drei Mal kleinere Chips mit einer Dicke von drei Atomen hergestellt werden. Sogar in dieser Grössenordnung bleibt Molybdänit sehr stabil und der Stromfluss ist gut kontrollierbar. Daneben verbrauchen Transistoren aus MoS2 weniger Energie. «Sie können viel schneller ein- und ausgeschaltet werden und im Standby-Modus lassen sie sich fast vollständig ausschalten», präzisiert Kis. Auch was die Signalverstärkung angeht, hält Molybdänit mit Silizium Schritt. Die Signalstärke beim Austritt aus dem Schaltkreis ist mit dem Mineral viermal höher als beim Eintritt. «Dies zeigt, dass auch komplexere Schaltkreise möglich sind», sagt Kis und erklärt: «Mit Graphen beispielsweise liegt die Signalstärke etwa bei eins. Unter diesem Wert wäre die elektrische Spannung beim Austritt zu klein, um einen zweiten Schaltkreis desselben Typs zu versorgen.»
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Schliesslich weist Molybdänit mechanische Eigenschaften auf, die es für die flexible Elektronik interessant machen. Langfristig könnten Mikrochips auf Weichfolie entwickelt werden, was die Produktion aufrollbarer Computer oder auf die Haut auftragbarer Geräte in Reichweite rücken lässt.