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Nanodrähte für kleinste Schaltkreise

30.11.2012
Am 1. Dezember startet die DFG-Forschergruppe FOR1700, die sich die systematische Untersuchung von metallischen Nanodrähten als Grundlage für neue elektronische Bauteile zum Ziel gesetzt hat. Beteiligt an der Forschergruppe ist auch das Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS).

Die Computertechnologie folgt seit Jahrzehnten einer Prognose, die Gordon Moore, Mitbegründer der Firma Intel, im Jahr 1965 aufstellte: Alle eineinhalb bis zwei Jahre wird sich die Zahl der Transistoren auf einem Computerchip verdoppeln, behauptete er damals. Bislang lag er damit weitgehend richtig, doch um das so genannte Moore’sche Gesetz zu erfüllen, müssen die Schaltkreise auf den Chips immer kleiner werden.

„Die Computertechnologie, so wie wir sie heute kennen, wird zwangsläufig irgendwann an ihre Grenzen stoßen“, erklärt Professor Norbert Esser, Leiter des Forschungsbereichs Material- und Grenzflächenanalytik am ISAS. „Dann brauchen wir ganz neue elektronische Bauteile.“

Einer der Hoffnungsträger für solche Bauteile sind die so genannten metallischen Nanodrähte: Winzige Strukturen aus Metallatomen, die sich hintereinander anordnen und so eine Kette von mehreren hundert Nanometern Länge, aber nur einem halben Nanometer Breite bilden. Diese kleinsten aller Drähte können sehr ungewöhnliche physikalische Eigenschaften zeigen. Zum Beispiel können derart kleine Strukturen die Ladung der Elektronen und ihren Spin, also die Drehung der Elektronen um ihre eigene Achse, unabhängig voneinander durch den Nanodraht leiten.

Beim Ladungstransport wird ein Elektron von Atom zu Atom weitergereicht, so dass die winzigen Drähte wie ihre großen Gegenstücke Strom in eine Richtung transportieren. Andererseits können die Elektronen, selbst wenn sie nicht durch den Draht wandern, ihre Spin-Richtung verändern und damit sozusagen in einen anderen Zustand „umklappen“. „Diese Eigenschaft könnte man nutzen, um elektronische Bauelemente zu entwickeln, die auf Spin statt auf Ladung basieren“, meint Norbert Esser. Solche Bauteile wären nicht nur viel kleiner, sondern auch viel schneller als herkömmliche Transistoren.

Bis die ersten Schalter auf Basis von Nanodrähten einsatzbereit sind, ist es allerdings noch ein weiter Weg, denn viele mögliche Eigenschaften der winzigen Strukturen sind bislang nur mit theoretischen Modellen simuliert worden. Diese Modelle gehen von eindimensionalen Strukturen aus – als würden die Drähte frei im Raum schweben – und zeigen, dass solche freie Drähte prinzipiell instabil sind. In der Realität stehen die Drähte natürlich immer in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung, etwa mit dem Substrat, auf dem sie aufgebracht sind, und diese Umgebung stabilisiert sie. „Die große Frage für uns ist deshalb: Wie müssen wir unsere Vorstellungen von eindimensionalen Drähten anpassen, damit sie die Wirklichkeit beschreiben?“, erklärt Esser.

FOR1700 ist aufgeteilt in sieben Teilprojekte; das ISAS wird sich vor allem mit der Frage beschäftigen, wie die Atome im Nanodraht angeordnet sind, wie also die atomare Struktur aussieht, und wie leitfähig die Drähte tatsächlich sind. Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, nutzen die Wissenschaftler der AG Nanostrukturen optische Methoden, die ihnen berührungslose Analysen ermöglichen. Zum Einsatz kommen Raman-Spektroskopie sowie Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie, kurz RAS. „Ein Teilaspekt unseres Projektes ist es auch, diese Methoden als Standard-Prüfmethoden für die Herstellung von Nanodrähten zu etablieren“, so Esser.

Hintergrundinfos:
Die Forschergruppe FOR1700 startet am 1. Dezember 2012 und wird zunächst für drei Jahre gefördert; nach einer Zwischenbegutachtung sind weitere drei Jahre Förderung möglich. Koordiniert wird die Forschergruppe von der Leibniz-Universität in Hannover.

An FOR1700 sind folgende Einrichtungen beteiligt: Leibniz-Universität Hannover; Friedrich-Schiller-Universität Jena; Universität Duisburg-Essen; Universität Würzburg; Technische Universität Berlin; Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg; Universität Paderborn; Universität Osnabrück; Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften – ISAS – e.V.; Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft.

Das ISAS ist in das Teilprojekt E3 eingebunden (Surface optical spectroscopy of phonon and electron excitations in quasi-one dimensional metallic nanostructures), in dem es mit der Universität Heidelberg kooperiert. Für die ersten drei Jahre erhält das Institut etwa 317.000 Euro Fördermittel.

Das ISAS ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 86 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Deren Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevante Fragestellungen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Grundlagenforschung. Sie unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Institute pflegen intensive Kooperationen mit den Hochschulen – unter anderem in Form der Wissenschaftscampi –, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem maßstabsetzenden transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 16.500 Personen, darunter 7.700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 1,4 Milliarden Euro.

Tinka Wolf | idw
Weitere Informationen:
http://www.atomicwires.de/
http://www.leibniz-gemeinschaft.de

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