Zweidimensionale Materialien – diese extrem dünnen Atomblätter – gelten als der nächste große Durchbruch in der Elektronik. Doch eine Studie der Universität Wien enthüllt eine Grenze auf atomarer Ebene: ein winziger Zwischenraum, der, obwohl nahezu unsichtbar, die Leistung vieler vielversprechender Kandidaten ruinieren könnte.
Transistoren, diese elektronischen Schalter, die die Grundlage unserer gesamten Elektronik und insbesondere der Mikroprozessoren bilden, beruhen auf einem Halbleitermaterial, das von einer Elektrode gesteuert wird. Für eine weitere Miniaturisierung muss der Isolator, der diese beiden Elemente trennt, auf ein extrem dünnes Niveau reduziert werden. Die Forscher entdeckten bei bestimmten Kombinationen ein Problem: Halbleiter und Isolator berühren sich nicht wirklich: Ein leerer Raum von etwa 0,14 Nanometern bleibt bestehen, was die kapazitive Kopplung schwächt und die Miniaturisierung einschränkt.
Der nanometrische Spalt zwischen dem 2D-Leiter und dem Isolator verändert die elektronischen Eigenschaften grundlegend.
Bildnachweis: TU Wien Dieses Problem rührt von den schwachen Van-der-Waals-Kräften her, die die Schichten miteinander verbinden sollen, ein Phänomen der Quantenelektrodynamik. Wie Professor Tibor Grasser erklärt, ist diese schwache Kraft nicht ausreichend, um die Schichten gut ausgerichtet zu halten, und hinterlässt stets einen Spalt, unabhängig von der inneren Qualität des Materials. Die einzige in Betracht gezogene Lösung ist die Entwicklung von Materialien mit "Reißverschluss", bei denen Halbleiter und Isolator fest ineinandergreifen und den Leerraum beseitigen.
Die Wissenschaftler haben daher eine Methode entwickelt, um vorherzusagen, welche Kombinationen diese Falle vermeiden. Laut Professor Mahdi Pourfath muss die Industrie von Anfang an den Isolator in das Design zukünftiger Transistoren integrieren, andernfalls drohen Milliardeninvestitionen in Sackgassen. Diese Forschung, veröffentlicht in
Science, zeichnet die Karte der brauchbaren Materialien für die Chips von morgen neu.
Van-der-Waals-Kräfte: ein fragiler atomarer Klebstoff
Van-der-Waals-Kräfte sind schwache elektromagnetische Wechselwirkungen, die zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen auftreten. Im Gegensatz zu starken chemischen Bindungen (wie kovalenten Bindungen) erfordern sie keinen Elektronenaustausch. Sie resultieren aus vorübergehenden Ladungsschwankungen, die magnetische Dipole erzeugen.
In 2D-Materialien wie Graphen sorgen diese Kräfte für den Zusammenhalt zwischen den Schichten. Ihre Stärke hängt von der Entfernung ab: Je näher die Schichten sind, desto stärker ist die Anziehung. Aber auf nicht perfekt glatten oder identischen Oberflächen bleibt ein winziger Raum (etwa 0,14 nm) bestehen, der die Haftung verringert.
Diese Schwäche zeigt sich, wenn Schichten unterschiedlicher Natur gestapelt werden, wie ein 2D-Leiter und ein Isolator. Die Atome der beiden Materialien können sich nicht perfekt ausrichten, und die Van-der-Waals-Kräfte reichen nicht aus, um die Zwischenräume zu füllen, wodurch Lücken entstehen, die die elektronische Leistung beeinträchtigen.
Quelle: Science