Hauchdünn wie ein Atom – Ein revolutionärer Halbleiter für die Elektronik

Halbleiter, so dünn wie ein Atom, sind keine Zukunftsmusik mehr. Der Bayreuther Physiker Prof. Dr. Axel Enders hat gemeinsam mit US-amerikanischen und polnischen Partnern ein zweidimensionales Material entwickelt, das die Elektronik revolutionieren könnte. Aufgrund seiner Halbleiter-Eigenschaften könnte es sich für High-Tech-Anwendungen weitaus besser eignen als Graphen, dessen Entdeckung im Jahr 2004 weltweit als wissenschaftlicher Durchbruch gefeiert wurde. Das neue Material enthält Kohlenstoff, Bor und Stickstoff, der chemische Name lautet Hexagonal Boron-Carbon-Nitrogen (h-BCN).

Die Entwicklung kann der Ausgangspunkt für eine neue Generation elektronischer Transistoren, Schaltkreise und Sensoren sein, die um ein Vielfaches kleiner und biegsamer sind als bisherige elektronische Elemente. Voraussichtlich ermöglichen sie eine deutliche Senkung des Stromverbrauchs, so prognostiziert Prof. Enders und verweist auf die heute in der Elektronik dominierende CMOS-Technologie. Dieser Technologie ist hinsichtlich einer weiteren Miniaturisierung klare Grenzen gesetzt. Um diese Barriere zu überschreiten, eignet sich h-BCN weitaus besser als Graphen, obwohl es genauso strukturiert ist wie Graphen.

Graphen ist ein Gitter aus Kohlenstoffatomen, die nur in der Fläche – also nur in zwei Dimensionen – miteinander vernetzt sind. Das Gitter ist daher genauso dünn wie ein einzelnes Atom. Als diese Struktur nach ihrer Entdeckung genauer erforscht wurde, löste vor allem ihre enorme Stabilität weltweite Begeisterung aus. Graphen ist 100- bis 300-mal stärker als Stahl und zugleich ein hervorragender Leiter für Wärme und Elektrizität. Doch Elektronen fließen bei jeder beliebigen elektrischen Spannung ungehindert hindurch, so dass es keine definierten ‚Ein‘- und ‚Aus‘-Zustände gibt. Deshalb ist Graphen für elektronische Bauteile ungeeignet. Hierfür werden Halbleiter benötigt, weil nur sie schaltbare ‚Ein‘- und ‚Aus‘-Zustände gewährleisten. Der Physiker hatte daher die Idee, einzelne Kohlenstoffatome im Graphen durch Bor und Stickstoff auszutauschen – und zwar so, dass ein zweidimensionales Gitter mit den Eigenschaften eines Halbleiters entsteht. In einem Team mit Wissenschaftlern an der University of Lincoln-Nebraska hat er dieses Ziel nun verwirklichen können. Forschungspartner an der Universität Krakau sowie an der State University of New York, dem Boston College und der Tufts University in Massachusetts haben ebenfalls zu diesem Forschungserfolg beigetragen.

Veröffentlichung: Sumit Beniwal, James Hooper, Daniel P. Miller, Paulo S. Costa, Gang Chen, Shih-Yuan Liu, Peter A. Dowben, E. Charles H. Sykes, Eva Zurek, Axel Enders, Graphene-like Boron–Carbon–Nitrogen Monolayers, ACS Nano (2017), DOI: 10.1021/acsnano.6b08136

http://www.uni-bayreuth.de