„Nach unten ist noch eine Menge Platz.” So beschrieb der Physik-Nobelpreisträger Prof. Richard Feynman 1959 in einem berühmt gewordenen Vortrag vor der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft die Aussichten der Miniaturisierung von Speichermedien und Computerbauteilen. Er hatte Recht: Die Abmessungen von Transistoren, Kondensatoren und elektronischen Speicherbausteinen sind seitdem auf weniger als ein Millionstel ihrer damaligen Größe geschrumpft. Doch der Boden ist noch längst nicht erreicht: Die meisten Wissenschaftler sind überzeugt, dass auch heute noch reichlich Raum für eine weitere Verkleinerung bleibt. Dazu aber werden Physiker, Chemiker und Ingenieure bald neue Wege beschreiten müssen. Denn ein Ende der Herstellung immer kleinerer Strukturen aus Silizium oder anderen halbleitenden Materialien auf herkömmliche Weise ist absehbar. In 10 bis 15 Jahren dürften die elektronischen Bauteile auf Mikrochips nur noch wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) messen – nicht mehr als ein paar Dutzend Atomdurchmesser (bild der wissenschaft 11/2001, „Wie lange noch, Mr. Moore?”). Die Gesetze der Quantenmechanik werden dann die Funktion herkömmlicher Halbleiter-Bauteile stören, und mit den heute genutzen lithografischen Verfahren werden sich noch feinere Strukturen gar nicht fertigen lassen. Das Zauberwort, das dennoch die Tür zu einer Nanoelektronik mit derart winzigen Bauteilen öffnen soll, heißt „Selbstorganisation”. Die Idee: Atome und Moleküle sollen sich eigenständig zu den gewünschten Strukturen zusammenfügen. Einmal angestoßen durch einfaches Verdampfen oder Ausrichten in magnetischen oder elektrischen Feldern, sollen sie sich schnell und reproduzierbar zu Milliarden von Transistoren oder Speicherbausteinen in Molekülgröße ordnen und auf einem Chip arrangieren. Die Umsetzung bereitet den Forschern allerdings bislang große Probleme. Denn zahlreiche Prozesse, die zur Selbstorganisation führen sollen, verstehen die Wissenschaftler längst noch nicht gut genug, um sie gezielt nutzen zu können. Deshalb versuchen viele, als Ausgangspunkt für die Herstellung nanoelektronischer Bauteile doch noch die konventionelle Halbleitertechnik zu nutzen – zum Beispiel Prof. Dieter Bimberg und seine Mitarbeiter am Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Berlin. Bimberg und sein Team scheiden mehrere Lagen von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen atomaren Abständen im Kristallgitter aufeinander ab. Die Spannung, die sich dadurch in der oberen Schicht aufbaut, zerreißt diese in ein gleichmäßiges Muster von so genannten Quantenpunkten: 10 bis 100 Milliarden Punkte pro Quadratzentimeter, jeder von ihnen nicht größer als einige hundert Atome. Solche „Quantum Dots” sind sehr effiziente Laser, die künftig zur optischen Datenübertragung oder Datenspeicherung eingesetzt werden sollen. Sie lassen sich aber auch zu Transistoren für nanoelektronische Schaltkreise verknüpfen. Ein besonders trickreiches Verfahren, um Nanostrukturen zu erzeugen, wendet Prof. Jeff Brinker vom Sandia National Laboratory in Albuquerque/New Mexico an: Er nutzt dieselbe Technik, die in Tintenstrahldruckern die Farbe aufs Papier zaubert. Brinker entdeckte, dass der richtige Mix aus verschiedenen Tinten beim Trocknen ein regelmäßiges Netzwerk von wenige Nanometer kleinen Poren bildet. Sprüht man die passende Tintenmischung auf ein Siliziumsubstrat, dann reihen sich die Poren spontan zu feinen Röhren von zwei bis drei Nanometer Durchmesser aneinander. Die Porenstruktur lässt sich durch die Zusammensetzung der Tinte steuern. Für die Entstehung der Poren sorgen seifenartige Moleküle in der Tinte, die ein Wasser anziehendes und ein Wasser abstoßendes Ende besitzen. Ein organischer Bestandteil der Moleküle polymerisiert bei der Erwärmung: Die Moleküle schließen sich so zu langen Ketten zusammen – und machen die Nanostrukturen haltbar. Um Nanometer-kleine Transistoren leitend miteinander zu verbinden, sind ebenso winzige Drähte erforderlich. Besonders geeignet dafür erscheinen so genannte Kohlenstoff-Nanotubes. Diese röhrenförmigen Moleküle bestehen aus aufgerollten Schichten von Grafit, haben wenige Nanometer Durchmesser, sind aber bis zu mehrere tausendmal so lang. Die Vorteile der Nanotubes: Sie sind mechanisch und chemisch sehr stabil. Und je nachdem, wie die Sechsecke aus Kohlenstoff-Atomen, die die Grafitschichten aufbauen, ausgerichtet sind, verhalten sich die Röhrchen elektrisch isolierend, halbleitend oder leitend wie ein Metall. Wissenschaftler schätzen, dass man mit Nanotubes Prozessoren mit Schaltzeiten von 200 Gigahertz bauen kann – das entspricht dem Hundertfachen dessen, was ein heutiger Pentium IV- Prozessor schafft. Besonders vorteilhaft: Die Kohlenstoff-Röhrchen vertragen sich gut mit Silizium. Da sie kein starres Kristallgitter haben, können sich zwischen ihnen und einem Silizium-Substrat keine gitterbedingten Spannungen aufbauen. Ein Problem ist allerdings, dass die Nanotubes bei der Herstellung nicht in einheitlicher Form entstehen, sondern stets als wirrer Haufen von Röhrchen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Doch dieses Knäuel lässt sich entwirren, wie Prof. Mark Welland, Leiter des Nanoscale Science Laboratory an der Universität Cambridge in England, vor kurzem gezeigt hat: Er erhitzte Säulen aus „Buckyballs” – fußballförmigen Molekülen aus 60 Kohlenstoff-Atomen – zusammen mit Nickel und erzeugte dadurch magnetische Nanotubes. Durch ein Magnetfeld zwang Welland die Röhrchen, sich parallel auszurichten. Die Nanotubes fügten sich so zu Kristallen zusammen – perfekt angeordneten Bündeln von Kohlenstoff-Röhrchen, die alle dieselben Eigenschaften besaßen. Ein anderer möglicher Baustoff für die Drähte einer künftigen Nanoelektronik sind DNA-Moleküle, die Bausteine des genetischen Codes. Ihre wichtigsten Bestandteile sind die Basen Guanin, Cytosin, Adenin und Thymin. Die DNA verhält sich wie ein selektiver „Klebstoff”: Guanin verbindet sich nur mit Cytosin und Adenin nur mit Thymin. Synthetisiert man kurze DNA-Stränge, die diese Basen in einer bestimmten Reihenfolge enthalten, und befestigt sie an Metallelektroden, dann funktioniert dieses Gebilde wie Schlüssel und Schlüsselloch: Nur die komplementären Enden passen zusammen. Israelische Wissenschaftler um Prof. Erez Braun vom Technion in Haifa erzeugten zum Beispiel elektrisch leitende Drähte, indem sie DNA-Stränge mit Silber beschichteten. Der Chemiker Prof. Thomas Mallouk von der Pennsylvania State University ging einen anderen Weg: Er versah winzige Golddrähte an beiden Enden mit „Klebstoff” aus DNA und erreichte so, dass sich die Drähtchen zu größeren Einheiten arrangierten. Auch zweidimensionale Strukturen aus über Kreuz verlaufenden Nanodrähten lassen sich auf diese Weise erzielen – eine wichtige Voraussetzung für die Verdrahtung von Milliarden von Transistoren auf einem Nanochip. Forscher am Steacie Institute im kanadischen Ottawa und am Riken-Institut in Tokio experimentieren mit beschichteten Oberflächen. Die Schichten bestehen aus anisotropen Materialien – Substanzen, deren Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit oder Härte von der Richtung abhängen, entlang derer sie gemessen werden. Ein Beispiel für ein solches Material ist Grafit. In der Beschichtung lösen die Wissenschaftler eine Kettenreaktion aus, etwa durch Entfernen einzelner Atome in einer Atmosphäre aus einem chemisch reaktiven Gas. Dadurch entstehen dünne und wegen der Anisotropie geradlinig ausgerichtete Drähte. Aus drei so gefertigten Drähten konnten die Forscher einen Transistor im Nanoformat herstellen. Komplexe Schaltkreise lassen sich auf diese Weise jedoch prinzipiell nicht erzeugen. Eine andere Methode verspricht mehr: Der Chemiker Prof. Charles Lieber von der Harvard University in den USA suspendierte Nanodrähte in einer Ethanol-Lösung, die er durch feine Kanäle entlang einer strukturierten Silizium-Oberfläche strömen ließ. Die Strukturen im Silizium zogen die Drähte an, hielten sie fest und sorgten für regelmäßige Abstände zwischen den parallelen Drähten. Durch Ändern der Strömungsrichtung erzeugte Lieber sich kreuzende Systeme von parallelen Drähten. Mit schaltbaren Molekülen an den Kreuzungspunkten der Nanodrähte, die je nach angelegter Spannung isolierend oder leitend sind, könnte ein solches Bauteil künftig als Speichermedium genutzt werden. Auf ihm ließen sich mehrere Terabyte an Daten unterbringen – etwa das Tausendfache dessen, was mit heutigen Speicherchips möglich ist.
Kompakt
Nanostrukturen entstehen von selbst nach Aufsprühen einer Mischung aus verschiedenen Tinten. Kohlenstoff-Röhrchen und DNA-Stränge sind mögliche Baustoffe für Drähte im Nanoformat. Aus Nanotubes ließen sich hundertmal schnellere Rechner mit tausendfach höherer Speicherkapazität als heute möglich bauen.
Löten in der Nanowelt
Mit nanoelektronischen Bauteilen und Drähten allein ist es nicht getan. Um einen molekularen Computer aus Nanokomponenten zu bauen, müssen diese auch miteinander verlötet werden. Punktlöten mit Zinn, wie heute in der Elektronikfertigung üblich, würde aber die empfindlichen Strukturen beschädigen. Einen Ausweg hat Privatdozent Florian Banhart von der Abteilung Elektronenmikroskopie der Universität Ulm gezeigt. Auf Nanotubes scheiden sich stets geringe Mengen von Kohlenwasserstoffen aus der Luft ab. Bei Raumtemperatur sind diese Moleküle sehr beweglich und wandern ständig auf der Oberfläche umher. Banhart stellte fest: Beim Beschuss von Nanotubes mit Elektronen verwandeln sich die Kohlenwasserstoffe erst in amorphen Kohlenstoff und schließlich in elektrisch leitenden Grafit. Weil durch die ständige Bewegung der Kohlenwasserstoffe immer weitere Moleküle in die Schusszone diffundieren, sammelt sich dort mit der Zeit genug Grafit an, um zwei über Kreuz liegende Nanotubes leitend zu verbinden.
Auf dem Weg zum Nanocomputer
Um bei der Fertigung elektronischer Bauteile in den Größenbereich von Atomen und Molekülen vorzudringen, bieten sich den Forschern zwei verschiedene Wege: Komponenten, die aus Strukturen von halbleitenden oder metallischen Materialien bestehen, und Bauteile, die von einzelnen elektrisch leitenden Molekülen gebildet werden. Transistoren und Speicher aus festen Materialien ähneln der auf Silizium basierenden Mikroelektronik. Anders als die heute verwendeten Bauteile nutzen sie jedoch Quanteneffekte, die sich bei Abmessungen von wenigen Nanometern zeigen. Das erfordert neuartige Funktionsprinzipien und Fertigungsverfahren. Kennzeichen solcher nanoelektronischen Komponenten sind winzige „Inseln” aus einem Halbleiter oder Metall, in denen sich Elektronen einschließen lassen, die nur bestimmte Energiebeträge besitzen können. Damit lässt sich ein elektrischer Strom ein- und ausschalten, Daten können gespeichert werden. Je nach Aufbau, Form und Größe der Insel unterscheidet man etwa zwischen Quantenpunkten („künstlichen Atomen”), bei denen die Elektroneninsel ringsum von einem anderen Material umschlossen wird, oder Tunnelresonanz-Bauteilen, bei denen ein dünner Film eines halbleitenden Materials zwischen zwei Schichten eines anderen Stoffes eingebettet ist. Für die fernere Zukunft sind molekulare nanoelektronische Bauteile das Ziel der Wissenschaftler. Einzelne Moleküle sollen dazu als Drähte oder elektrische Schalter genutzt werden. Auf diese Weise könnten extrem schnelle Prozessoren und sehr viel kompaktere Speicher als heute möglich gebaut werden – die Grundbausteine für einen molekularen Computer. Bei einer typischen Größe von ein bis zwei Nanometern ließen sich pro Quadratzentimeter rund eine Billion molekularer Transistoren unterbringen – das 10000fache heutiger Mikrochips. Entscheidender Vorteil von Molekül-Bausteinen gegenüber nanoelektronischen Komponenten aus Festkörpern: Die Moleküle besitzen von Natur aus die richtige Größe und können völlig identisch in riesiger Anzahl hergestellt werden. Auf chemische Weise, so hoffen die Forscher, werden sich molekulare Transistoren und Speicher maßgeschneidert mit einer Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften zusammenfügen lassen. Dass manche Moleküle wie Kohlenstoff-Röhrchen elektrischen Strom leiten – und damit als Drähte dienen können, ist seit Jahren bekannt. Auch dass sich Moleküle als elektrische Schalter nutzen lassen, haben die Forscher inzwischen gezeigt. Die wichtigste Herausforderung ist nun, aus Molekülen komplette logische Schaltkreise zu fertigen.
INTERNET
Allgemeine Informationen zur Nanoelektronik mit zahlreichen Links zu anderen Websites: www.mitre.org/technology/nanotech/www.zyvex.com/nano/
Nanoelektronik-Forschung bei IBM: www.research.ibm.com/nanoscience/
Umfassende Übersicht über den Stand der Forschung zur Synthese von Nanomaterialien in einem Konferenzbeitrag von Prof. Thomas Mallouk: research.chem.psu.edu/mallouk/nanochem.html
Dr. Barbara Stumpp / Ralf Butscher
