bdw-Analyse NANO: Elektronik

Der Hunger der Menschen nach Informationen und Kommunikation scheint nicht zu stillen zu sein. Notebooks erlauben es, an jedem beliebigen Ort Präsentationen zu erstellen, E-Mails zu versenden oder sich Musik und Filme aus dem Internet herunter zu laden. Die Menge an Daten, die dazu per Kabel oder Funk übertragen und verarbeitet werden müssen, schwillt rasant an. Sogar Handys oder Digitalkameras verfügen inzwischen über eine Rechenleistung, die früher selbst bei einem PC unvorstellbar gewesen wäre.

Ermöglicht wird die atemberaubend schnelle Entwicklung der Informationstechnologie durch die ständige Miniaturisierung der Mikroelektronik. Während Intels erster Computerchip 4004 im Jahr 1971 gerade mal 2300 Transistoren enthielt, drängeln sich auf den Mikrochips der neuesten Generation mehrere Hundert Millionen dieser Bauteile. Die Größe der Chips blieb dabei fast unverändert – nur die Abmessungen der Transistoren und elektronischen Schaltkreise schrumpfte drastisch.

Vorausgesagt hatte diese Entwicklung bereits 1964 Intel-Gründer Gordon Moore. Gemäß dem nach ihm benannten „Moore’s chen Gesetz” verdoppelt sich die Zahl der Transistoren pro Chip alle 18 Monate. 40 Jahre lang schafften es die Entwickler, das mit der Präzision eines Uhrwerks zu erfüllen – mithilfe der so genannten CMOS-Technologie zur Fertigung mikroelektronischer Schaltkreise. Dabei entstehen durch Aufdampfen, Belichten und Herausätzen Dutzende übereinander liegende Schichten, die Transistoren, Kondensatoren und Verbindungsdrähte bilden.

Wichtigster Werkstoff dabei ist Silizium. Bei seiner Bearbeitung ist man längst in den Nano-Bereich vorgedrungen: Mikroprozessoren und Speicher der neuesten Generation werden mit der 90-Nanometer-Technologie gefertigt. Das heißt: Die typischen Abmessungen der Transistoren betragen rund 90 Nanometer. In rund zehn Jahren – so das Ziel der Chiphersteller – werden sie auf 22 Nanometer schrumpfen. Spätestens dann wird die Miniaturisierung mit den bisherigen Technologien und Materialien an Grenzen stoßen: Dann sind die Strukturen auf den Mikrochips so klein, dass Quanteneffekte die Funktion der elektronischen Komponenten stören. So verlieren isolierende Schichten ihre Wirkung: Elektronen können durch sie hindurch tunneln – Transistoren werden leck und damit unbrauchbar.

Abhilfe könnten Materialien schaffen, mit denen sich das Silizium ergänzen oder sogar ganz ersetzen lässt. Als heißer Kandidat dafür gelten Karbon-Nanotubes: rund ein Nanometer dünne, lang gestreckte Moleküle aus Kohlenstoff-Atomen. Sie haben eine rund 20-mal so hohe elektrische Leitfähigkeit wie Silizium. Zudem sind sie sehr gute Wärmeleiter, weshalb sie nicht nur Rechenoperationen ausführen, sondern auch Wärme aus einem Mikrochip abführen können. Sie besitzen je nach Struktur entweder halbleitende oder metallische Eigenschaften – und sie erlauben durch ihre Winzigkeit den Bau extrem kompakter elektronischer Komponenten.

Forschern beim Münchener Halbleiterhersteller Infineon gelang es im Herbst 2004, einen funktionsfähigen Transistor aus Nanoröhrchen zu bauen, der nur ein Viertel so groß ist wie die kleinsten heutigen Transistoren. Bereits ein Jahr zuvor hatte ein Team um Franz Kreupl, Projektleiter Forschung Karbon-Nanotubes bei Infineon, erstmals einen robusten Transistor für die Leistungselektronik hergestellt, der Nanoröhrchen enthält. Seine leitende Schicht bilden etwa 300 parallel angeordnete Röhrchen. Anders als frühere, sehr empfindliche Prototypen von Nano-Transistoren verkraftet er mühelos hohe Stromstärken, wie sie etwa in Schaltern für LEDs auftreten.

In den Labors des IT-Konzerns IBM im kalifornischen Almaden hatten Andreas Heinrich und sein Team schon 2002 einen Schaltkreis realisiert, der auf Kohlenmonoxid-Molekülen basiert. Die CO-Moleküle ordneten die Forscher auf einer Unterlage aus Kupfer an. Stießen sie eines der Moleküle an, verschob es seinen Nachbarn, der den Stoß wiederum weitergab und so weiter. Auf diese Weise lässt sich eine Kettenreaktion in Gang bringen, ähnlich wie beim Umstoßen nebeneinander aufgestellter Dominosteine. Durch eine geschickte Anordnung der Moleküle gelang des den IBM-Forschern, mit ihnen logische Operationen auszuführen – die Basis für Rechenprozesse in Computern.

Ein anderer Ansatz könnte der Nanotechnologie zum Durchbruch in Speicherchips verhelfen: Wissenschaftler am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich entwickelten ein neuartiges Schreib- und Lesegerät namens Millipede – auf deutsch: Tausendfüßler. Sein Aufbau entspricht im Prinzip dem eines Tunnelmikroskops: An einem dünnen Federplättchen sind mehrere Tausend extrem feine Spitzen angebracht. Die können, bewegt durch eine elektrische Spannung, wenige Nanometer winzige Löcher in eine Schicht aus Kunststoff brennen und wieder schließen. Bis zu 100 000-mal lassen sich die im Kunststoff gespeicherten Daten auf diese Weise löschen und neu beschreiben. Ziel ist es, mit der Millipede-Technologie die Kapazität von Speicherkarten wie Memory Sticks drastisch zu erhöhen.

Noch weitaus höhere Speicherdichten verspricht die Nutzung einzelner Moleküle zum Speichern von Informationen. Moleküle ließen sich auch als Rechenwerk in einem Prozessor verwenden. Einen ersten Ein-Molekül-Transistor haben die Physiker Jürgen Rabe und Frank Jäckel an der Berliner Humboldt-Universität vor Kurzem realisiert. Von einer Einsatzreife ist er jedoch noch weit entfernt.

Janine Drexler und Ralf Butscher