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Transistor-Prototyp mit einem Kalzium-Fluorid-Isolator überzeugte © TU Wien
Transistor-Prototyp mit einem Kalzium-Fluorid-Isolator überzeugte © TU Wien

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Winzige elektronische Bauteile brauchen winzige Isolatoren

13.07.2020

Nanoelektronische Bauelemente, die auf 2D-Materialien basieren, also nur wenige Atomlagen dünn sind, sind weit davon entfernt, ihr volles theoretisches Potenzial auszuschöpfen, weil entsprechend winzige Isolatoren fehlen. Wie man dieses Problem am besten löst, haben Forscher der Technischen Universität (TU) Wien analysiert und nun im Fachjournal "Nature Communications" Vorschläge dafür gemacht.

Am Weg zu immer kleineren elektronischen Bauteilen gelten 2D-Materialien als große Hoffnungsträger. Sie verbinden ausgezeichnete elektronische Eigenschaften mit minimaler Stärke. Im Extremfall bestehen sie nur aus einer einzigen Schicht von Atomen. Doch sinnvoll einsetzbar sind solche dünnen Schichten nur, wenn man sie mit passenden Materialsystemen kombinieren kann.

Extrem dünn und extrem gute Qualität

"Die Materialien müssen auf dem passenden Untergrund angebracht werden, und auch darüber braucht man eine Isolatorschicht - und wenn dieser Isolator nicht ebenfalls extrem dünn und von extrem guter Qualität ist, dann hat man durch die 2D-Materialien nichts gewonnen", erklärte Tibor Grasser vom Institut für Mikorelektronik der TU Wien in einer Aussendung.

Das Problem ist, dass die Liste der geeigneten Isolatoren derzeit sehr begrenzt ist. Üblicherweise wird in der Industrie Siliziumdioxid als Isolator eingesetzt. "Das eignet sich in diesem Fall aber nicht", so Grasser. Grund sind die sehr ungeordnete Oberfläche und viele freie, nicht gesättigte Bindungen, die die elektronischen Eigenschaften im 2D-Material stören.

Möglichst geordnete Struktur gesucht

Die Wissenschafter suchten deshalb nach Materialien mit einer möglichst geordneten Struktur: Ausgezeichnete Ergebnisse erzielten sie mit speziellen Kristallen, die Fluor-Atome enthalten. So lieferte ihren Angaben zufolge ein Transistor-Prototyp mit einem Kalzium-Fluorid-Isolator überzeugende Daten. Sie analysieren nun weitere Materialien, die sich als Isolatoren eignen.

Die Wissenschafter sprechen in ihrem Übersichtsartikel von einem "offensichtlichen Mangel an Informationen" im Zusammenhang mit der Identifizierung der besten Isolatoren für die 2D-Elektronik, der eine wichtige Hürde für die moderne Nanowissenschaft darstelle. Nur wenn es gelinge, die neuen elektrisch leitenden 2D-Materialien mit neuartigen Isolatoren zu kombinieren, könne man eine neue Generation von effizienten und leistungsfähigen elektronischen Bauteilen im Miniaturformat herstellen, ist Grasser überzeugt.

Service: https://doi.org/10.1038/s41467-020-16640-8

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