Graphene sind Filme aus Kohlenstoff, die gerade mal eine Atomlage dick sind. Dünner geht nicht. Was aber nicht heißt, dass die Maschendraht-Netze aus Kohlenstoff-Atomen besonders fragil wären. Im Gegenteil: Graphene sind außergewöhnlich stabil und sie sind hervorragende Strom- und Wärmeleiter. Kein Wunder, dass auf dem Gebiet Goldgräberstimmung herrscht. Und Professor Andre Geim von der Universität Manchester, der die ultradünnen Kohlenstoff-Schichten 2004 erstmals herstellte, hat nun eine Arbeit publiziert, die noch mehr Leute hellhörig machen dürfte.
"Für die Halbleiterindustrie ist es sehr wichtig, Materialien zu haben, in denen sich die Träger der elektrischen Ladung möglichst ungestört bewegen können. Denn wann immer Elektronen durch Streuung am Kristallgitter von ihrem Weg abgelenkt werden, entsteht Wärme. Und die führt zu Verlusten und begrenzt letztlich die Schaltfrequenz elektronischer Bauteile. Im gängigen Halbleiter Silizium können sich Elektronen relativ leicht bewegen. Aber Gallium-Arsenid zum Beispiel ist diesbezüglich schon fünf bis zehnmal besser. Aus diesem Grund werden die Chips in Mobiltelefonen und Satellitenempfängern heute meist aus Gallium-Arsenid hergestellt."
Die entscheidende Kenngröße dabei: Die so genannte Elektronen-Mobilität. Sie besagt, wie leicht ein Elektron im Material vorwärts kommt. Die bisherigen Rekordhalter waren Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die Verbindung Indium-Antimonid. Doch das war gestern. Andre Geim und seine Kollegen haben jetzt nämlich die Elektronen-Mobilität in Graphenen gemessen und entdeckt: Die neue Kohlenstoff-Variante stellt alles in den Schatten.
"Die Elektronen-Mobilität in Graphenen ist zehn bis 20 Mal größer als im heute häufig verwendeten Halbleiter Gallium-Arsenid. Das ist ein qualitativer Sprung, der es erlauben könnte, einmal viel schnellere elektronische Schaltkreise zu bauen. Heutige Computer-Prozessoren haben Taktfrequenzen im Bereich von Mega- bis Gigahertz. Mit Hilfe von Graphenen wäre es denkbar, Bauteile zu entwickeln, die tausendmal schneller schalten."
Normalerweise leiten Werkstoffe Elektronen umso schlechter, je dünner sie sind. Dass bei Graphenen andere Gesetze gelten, liegt vermutlich an der perfekt regelmäßigen Anordnung seiner Atome.
"Die elektronischen Eigenschaften von Graphenen faszinieren viele Forscher. Es gab theoretische Vorhersagen, die prophezeiten, dass es für die Elektronen-Mobilität in Graphenen nach oben keine Grenze gibt. Unsere aktuelle Arbeit zeigt jetzt: Es gibt schon eine Grenze. Aber sie ist himmelhoch."
Ob Graphene-Prozessoren jemals ihren Weg in gewöhnliche PCs finden werden, daran hat Andre Geim trotzdem so seine Zweifel. Auf jeden Fall wäre es bis dahin noch ein weiter Weg. Zum einen mangelt es immer noch an Produktionsverfahren, mit denen sich die gefragten Kohlenstoff-Schichten im industriellen Maßstab herstellen ließen. Zum anderen sind die ersten Prototypen von Graphene-Transistoren noch viel zu langsam, um konventioneller Elektronik Beine machen zu können.
"Manche Kollegen sind fest überzeugt, dass Graphene eines Tages den Halbleiter Silizium ersetzen wird. Ich bin skeptisch, was solche Prognosen angeht, weil ich mir da nicht so sicher bin. Auf jeden Fall wird es sicher noch mindestens 20 Jahre dauern, bis es soweit ist."
In ultraempfindlichen Sensoren für die Analyse von Gasen und Flüssigkeiten könnten Graphene dagegen schon in drei bis fünf Jahre zum Einsatz kommen, schätzt Andre Geim. Auch an elektrisch leitenden Beschichtungen für Handy-Displays und Solarzellen wird bereits gearbeitet. Vermutlich ist es also nur eine Frage der Zeit, bis die flachen Filme aus Kohlenstoff durch erste praktische Anwendungen von sich reden machen.
"Für die Halbleiterindustrie ist es sehr wichtig, Materialien zu haben, in denen sich die Träger der elektrischen Ladung möglichst ungestört bewegen können. Denn wann immer Elektronen durch Streuung am Kristallgitter von ihrem Weg abgelenkt werden, entsteht Wärme. Und die führt zu Verlusten und begrenzt letztlich die Schaltfrequenz elektronischer Bauteile. Im gängigen Halbleiter Silizium können sich Elektronen relativ leicht bewegen. Aber Gallium-Arsenid zum Beispiel ist diesbezüglich schon fünf bis zehnmal besser. Aus diesem Grund werden die Chips in Mobiltelefonen und Satellitenempfängern heute meist aus Gallium-Arsenid hergestellt."
Die entscheidende Kenngröße dabei: Die so genannte Elektronen-Mobilität. Sie besagt, wie leicht ein Elektron im Material vorwärts kommt. Die bisherigen Rekordhalter waren Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die Verbindung Indium-Antimonid. Doch das war gestern. Andre Geim und seine Kollegen haben jetzt nämlich die Elektronen-Mobilität in Graphenen gemessen und entdeckt: Die neue Kohlenstoff-Variante stellt alles in den Schatten.
"Die Elektronen-Mobilität in Graphenen ist zehn bis 20 Mal größer als im heute häufig verwendeten Halbleiter Gallium-Arsenid. Das ist ein qualitativer Sprung, der es erlauben könnte, einmal viel schnellere elektronische Schaltkreise zu bauen. Heutige Computer-Prozessoren haben Taktfrequenzen im Bereich von Mega- bis Gigahertz. Mit Hilfe von Graphenen wäre es denkbar, Bauteile zu entwickeln, die tausendmal schneller schalten."
Normalerweise leiten Werkstoffe Elektronen umso schlechter, je dünner sie sind. Dass bei Graphenen andere Gesetze gelten, liegt vermutlich an der perfekt regelmäßigen Anordnung seiner Atome.
"Die elektronischen Eigenschaften von Graphenen faszinieren viele Forscher. Es gab theoretische Vorhersagen, die prophezeiten, dass es für die Elektronen-Mobilität in Graphenen nach oben keine Grenze gibt. Unsere aktuelle Arbeit zeigt jetzt: Es gibt schon eine Grenze. Aber sie ist himmelhoch."
Ob Graphene-Prozessoren jemals ihren Weg in gewöhnliche PCs finden werden, daran hat Andre Geim trotzdem so seine Zweifel. Auf jeden Fall wäre es bis dahin noch ein weiter Weg. Zum einen mangelt es immer noch an Produktionsverfahren, mit denen sich die gefragten Kohlenstoff-Schichten im industriellen Maßstab herstellen ließen. Zum anderen sind die ersten Prototypen von Graphene-Transistoren noch viel zu langsam, um konventioneller Elektronik Beine machen zu können.
"Manche Kollegen sind fest überzeugt, dass Graphene eines Tages den Halbleiter Silizium ersetzen wird. Ich bin skeptisch, was solche Prognosen angeht, weil ich mir da nicht so sicher bin. Auf jeden Fall wird es sicher noch mindestens 20 Jahre dauern, bis es soweit ist."
In ultraempfindlichen Sensoren für die Analyse von Gasen und Flüssigkeiten könnten Graphene dagegen schon in drei bis fünf Jahre zum Einsatz kommen, schätzt Andre Geim. Auch an elektrisch leitenden Beschichtungen für Handy-Displays und Solarzellen wird bereits gearbeitet. Vermutlich ist es also nur eine Frage der Zeit, bis die flachen Filme aus Kohlenstoff durch erste praktische Anwendungen von sich reden machen.