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Nanoelektronik - Prinzip Miniatur

Estruturas cada vez menores exigem produtos químicos mais puros. Como a nanoeletrônica está mudando a nossa vida cotidiana.

Große Dinge passieren im kleinen Maßstab. Elektronikhersteller lernen, Geräte zu bauen, deren Einzelteile nur aus ein paar Atomen bestehen. Computer werden dadurch noch leistungsfähiger und energieeffizienter. Doch diese Entwicklung bereitet auch völlig neuen elektronischen Geräten den Weg. Der Einfluss dieser Innovationen könnte das Leben für viele auf der Welt verändern.

Man stelle sich ein komplettes Testlabor zur klinischen Diagnostik in einer Einwegschachtel in Daumengröße vor, oder Brillengläser, die nicht nur auf Wunsch die Wettervorhersage anzeigen, sondern auch einen Handy-Akku aufladen können. Das sind nur einige Möglichkeiten, die die Nanoelektronik eröffnet – ein Ansatz, bei dem die einzigartigen Eigenschaften genutzt werden, die entstehen, wenn Materialien im winzigen Maßstab geformt und zusammengefügt werden.

„In der Nanoelektronik geht es um Geräte mit Einzelteilen in einer Größe von weniger als 100 Nanometern, wobei die Größe dieser Teile die Funktionsweise des Geräts bestimmt“, erklärt Professor Jo De Boeck, Ph.D., Chief Technology Officer und Executive Vice President von Imec, einem belgischen Forschungszentrum für Nanoelektronik.

100 Nanometer (nm) sind tatsächlich sehr klein: Ein Zehntausendstel eines Millimeters, das entspricht etwa der Größe eines Grippevirus. „In diesem Größenbereich zeigen sich grundlegend andere Eigenschaften“, so De Boeck weiter. „Es sind Quanteneffekte zu beobachten. Man kann die elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen optimieren oder die Wellenlänge von Laserlicht verändern.“

Gängige elektronische Geräte siedeln sich heute im Bereich der Nanoelektronik an. Die fortschrittlichsten integrierten Schaltkreise (englisch: Integrated Circuits, IC), oder Computerchips, bestehen aus Milliarden von Transistoren mit Einzelteilen in Strukturgrößen von 25 nm oder kleiner.

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Die alten Griechen haben festgestellt, dass Bernstein Staub anzieht, wenn man ihn reibt. Als Wissenschaftler im 19. Jahrhundert ein Elementarteilchen mit negativer Ladung entdeckten, benannten sie es nach dem griechischen Wort für Bernstein: ήλεκτρον (ēlektron).
Heute wissen wir, dass es das Elektron ist, das unsere Welt zusammenhält. Elektronen verbinden Atome zu Molekülen. Die gesamte Chemie baut auf den Quanteneigenschaften von Elektronen auf.
Unsere Fähigkeit, die Bewegung von Elektronen zu kontrollieren, ist aus unserem modernen Zeitalter nicht wegzudenken: vom Strom, den wir zur Beleuchtung unserer Häuser und zum Betrieb unserer Fabriken benötigen, bis zu unserer Informationstechnologie und unserer Kommunikationsinfrastruktur.
Wissenschaftler und Ingenieure finden derzeit neue Wege, um die Merkmale des Elektronenverhaltens zu nutzen, etwa ihre Fähigkeit, dünne Schichten von ansonsten undurchlässigem Material zu durchdringen.

„Die Nanoelektronik hat unser Leben bereits verändert“, sagt De Boeck. „Ihr verdanken wir, dass wir uns nicht die Finger verbrennen, wenn wir mit einem modernen Mobiltelefon telefonieren, und dass unsere mobilen Geräte und Laptops über hochauflösende Bildschirme verfügen.“

Dass wir heute Gegenstände mit Einzelteilen konstruieren können, die 1.000-mal feiner sind als ein menschliches Haar, ist das Ergebnis von mehr als einem halben Jahrhundert Weiterentwicklung der Energieleistung und Effizienz von integrierten Schaltkreisen. Laut dem Mooreschen Gesetz, das 1965 von Gordon Moore, Mitbegründer der Firma Intel, aufgestellt wurde, verdoppelt sich die Zahl der Transistoren, die maximal auf einen einzelnen integrierten Schaltkreis passen, etwa alle zwei Jahre.

Seither ist es immer wieder gelungen, Moores Vorhersage zu erfüllen. Dank neuer Materialien und Herstellungstechniken finden immer mehr und immer kleinere Komponenten auf einer Siliziumscheibe Platz. Die modernsten integrierten Schaltkreise weisen heute Teile mit nur 22 nm auf; Forscher arbeiten an Entwürfen, die wiederum nur halb so groß sind. Da manche Bauteile mittlerweile nur noch die Größe einer Handvoll Atome haben, stößt man an die Grenzen des physikalisch Machbaren.

Grenzen ausloten

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Das T-Shirt misst die Pulsfrequenz, die Socken den Druck. Keine Zukunftsmusik, sondern schon heute durch Nanotechnologie von Heapsylon möglich.

„Für Hersteller gibt es drei Wege, um die Leistung der Chips zu erhöhen“, sagt Claus Poppe, Vice President Electronic Materials bei BASF. „Man kann die Größe der Transistoren verringern. Darum geht es beim mooreschen Gesetz. Aber in der Branche gilt eine Gatelänge von 5 nm für Transistoren als technisch machbare Untergrenze und man geht davon aus, dass diese in zehn Jahren erreicht sein wird. Zweitens kann man das zurzeit verwendete Silizium mit neuen Materialien wie Kobalt oder Germanium ersetzen oder anreichern. Eine dritte Lösung bietet die Geometrie: Man kann die heutigen zweidimensionalen Designs durch 3D-Varianten ersetzen.“

Ob die Branche den Sprung zur nächsten Entwicklungsstufe schafft, wird zum Teil von der richtigen Chemie abhängen. Zur Herstellung eines hochmodernen Computerchips sind 600 bis 1.000 Prozesszyklen nötig, bei denen überwiegend der Einsatz von Chemikalien erforderlich ist. Jede Weiterentwicklung eines solchen Chips stellt neue Anforderungen an die eingesetzten Chemikalien. „Auf Nanoebene wird unser chemisches Know-how zu einem entscheidenden Erfolgsfaktor“, sagt Lothar Laupichler, Senior Vice President bei BASF Electronic Materials. Eine seiner Einheiten – mit Hauptsitz in Südkorea – beschäftigt zwei Drittel der Mitarbeiter im weltweiten Elektronikgeschäft des Unternehmens. Das belegt die Bedeutung Asiens im heutigen globalen IC-Geschäft und zeigt, wie wichtig eine enge Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Materialien ist, die zunehmend speziell auf die Anforderungen dieser Industrie zugeschnitten sind. „Um im Nanobereich Innovationen herbeizuführen, muss man die Wechselwirkungen auf Molekularebene verstehen, wofür zudem ein extrem hoher Reinheitsgrad erforderlich ist“, betont Boris Jenniches, Vice President Business Management bei BASF Electronic Materials Asia Pacific und für diese Einheit verantwortlich.

Die Reinheit ist wichtig, denn im Nanobereich können bereits wenige versprengte Atome des falschen Materials darüber entscheiden, ob ein Schaltkreis funktioniert. Zu prüfen, ob die Elektronikmaterialien von BASF den Reinheitsanforderungen ihrer Kunden entsprechen, gehört zu den wichtigsten Aufgaben von Jan Willmann. Er ist Operations Manager im Reinraumlabor des Kompetenzzentrums Analytik von BASF in Deutschland. „Wir suchen nach Verunreinigungen auf einem Niveau zwischen 10 und 100 Teilen pro Billion“, sagt Willmann. „Wenn man jemandem aus der Pharmaindustrie eine Probe auf diesem Maßstab zeigt, würde derjenige sagen: ‚Es ist nichts zu sehen, alles ist absolut sauber.‘“

Schneller, günstiger, energieeffizient

Die Fähigkeit, Materialien auf Nanoebene mit exakter Genauigkeit zu formen und zu beeinflussen, schafft neue Möglichkeiten auf etlichen Gebieten über die konventionelle Chipentwicklung hinaus. Viele der Einschränkungen von herkömmlichen Batterien beruhen auf ihrem physikalischen Aufbau. Um bessere Batterien zu bauen, wollen Entwickler die effektive Fläche der Anode und Kathode vergrößern, weil so die Elektronen leichter zwischen ihnen fließen können. „Dies wird möglich, indem man die Elektrodenoberfläche auf Nanoebene in 3D modelliert“, erklärt Philip Pieters, Business Development Director Energy Technologies bei Imec.

Forscher hoffen, dass solche Batterien nicht nur mehr Energie speichern können als konventionelle Modelle, sondern sich auch schneller aufladen lassen. Damit würde der Weg bereitet für elektronische Geräte und sogar Elektroautos, die sich in Minuten statt in Stunden aufladen lassen. Neben Batterien im Nanoformat arbeitet das Forschungsteam von Pieters an Hochpräzisionsdrucktechniken zum Auftragen ultradünner Schichten von Elektronikmaterialien für eine Reihe von Anwendungsfeldern. Mit druckbarer Fotovoltaik beispielsweise wird es irgendwann möglich sein, dass Gebäude das auf Fassaden und Fenster treffende Sonnenlicht oder das nicht genutzte Raumlicht, das auf die Innenwände und Decken fällt, zur Stromerzeugung nutzen.

“Ein Diagnosetest, für den man weniger als zehn Minuten braucht und der weniger als zehn US-Dollar kostet, könnte das Gesundheitswesen in vielen Teilen der Welt völlig verändern.”

Dr. Robert Bollinger, John Hopkins University

Aneeve Nanotechnologies, ein Ableger der University of California Los Angeles, hat ein Verfahren entwickelt, um elektronische Schaltkreise auf Trägerwerkstoffe aufzudrucken. „Die Drucktechnik ist nicht nur kostengünstig und energieeffizient im Vergleich zur konventionellen Chipherstellung, sondern bietet auch weitere Vorteile für die Umwelt“, betont Kosmas Galatsis, CEO von Aneeve. Die von Aneeve verwendeten Nanoröhren sind seiner Aussage nach „sicher, nachhaltig und auf dem Planeten reichlich vorhanden“ – im Gegensatz zu einigen Seltenen Erden wie Tantal und Indium, die heute für viele Elektronikanwendungen benötigt werden.

Mit dem Verfahren von Aneeve können Schaltkreise so auf transparenten Materialien angebracht werden, dass sie mit bloßem Auge nicht zu sehen sind. Das Unternehmen hofft, dass sich damit die Herstellungskosten für robuste, flexible Bildschirme oder drahtlose Kommunikationssysteme drastisch reduzieren lassen. Daraus könnten neue tragbare Technologien entstehen, wie Brillen mit integrierten Displays, die eine „erweiterte Realität“ erfahrbar machen: etwa schwebende Richtungspfeile, die dem Nutzer in einer unbekannten Stadt den Weg weisen, oder das Anzeigen von Kundenbewertungen und Öffnungszeiten nahegelegener Geschäfte und Restaurants.

Heapsylon, ein Start-up-Unternehmen aus Seattle, das von ehemaligen Microsoft-Mitarbeitern gegründet wurde, nutzt Verfahren der Nanoelektronik, um Sensoren direkt in Kleidung zu integrieren. Zu seinen Produkten zählen druckempfindliche Socken für Läufer und Büstenhalter sowie T-Shirts, die die Herzfrequenz des Trägers messen. Sie sollen weich beschaffen sein und sich problemlos in der Maschine waschen lassen.

Das Labor auf einem Chip

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Die Grafik zeigt den Herstellungsprozess eines Mikrochips.

Nanoelektronik wird aber nicht nur dazu genutzt, Techniken zur Fertigung integrierter Schaltkreise auf ein breiteres Anwendungsgebiet zu übertragen, sondern dient auch dazu, die Chips selbst mit völlig neuen Eigenschaften auszustatten. Die gleichen Verfahren, die es Chipherstellern ermöglichen, Formen einzuätzen und beim Bau von Transistoren verschiedene Materialien zu verwenden, können auch helfen, winzige Pipelines, mikroskopisch kleine Sensoren und Miniaturmaschinen zu bauen. Anfang des Jahres hat Imec eine Kooperation mit der Johns Hopkins University im US-Bundesstaat Maryland geschlossen, um die Entwicklung von Nanoelektronik für diagnostische Systeme in der Medizin weiter voranzutreiben. „Uns schwebt ein Gerät in der Größe eines USB-Sticks vor, mit dem man diverse diagnostische Tests durchführen könnte, die zurzeit in Laboren stattfinden“, erläutert Liesbet Lagae, Managerin des „Imec Life Science“-Programms.

Das Team von Imec hofft, dass mithilfe der in den Chips eingebauten Sensoren eine Reihe von Aufgaben ausgeführt werden könnten: von Schwangerschaftstests über die Identifizierung von HIV-Antikörpern und anderen Virenarten bis hin zur DNA-Analyse. „Alle Grundbausteine sind gesetzt“, sagt Lagae. „Da wir die Mikrofluidik verstehen, können wir winzige Kapillarpumpen in die Schaltkreise einbauen, sodass sich die Probe gewissermaßen selbst durch den Chip saugt. Wir können eine Polymerase-Kettenreaktion (englisch: Polymerase Chain Reaction, PCR) einleiten, um die DNA vor der Untersuchung zu vervielfältigen. Und wir wissen, wie wir Biomarker in unsere Schaltkreise integrieren können, die ein elektrisches oder photonisches Signal senden, wenn sie bestimmte Enzyme oder Antikörper aufspüren.“

Bevor diese Vision Realität wird, liegt noch viel Arbeit vor dem Team von Imec Johns Hopkins. Wie bei herkömmlichen Chips hängt viel von der Entwicklung der richtigen Chemikalien ab. Empfindliche Biomoleküle in Chips zu integrieren bleibt nach wie vor eine enorme Herausforderung.

„Wir müssen die Haltbarkeitsprobleme lösen“, erläutert Lagae. „Die Biomarker müssen stabilisiert werden, damit sie nicht vor der Verwendung kollabieren. Das wurde in der Silizium-Umgebung bislang noch nicht gemacht.“

Auch bei der Herstellung sind einige Hürden zu nehmen: Mehrere Verfahrensschritte zur Fertigung eines konventionellen Chips erfolgen unter hohen Temperaturen, was die empfindlichen biochemischen Stoffe zerstören könnte.

„Uns schwebt ein Gerät in der Größe eines USB-Sticks vor, mit dem man diverse diagnostische Tests durchführen könnte, die zurzeit in Laboren stattfinden“

Liesbet Lagae, Managerin des „Imec Life Science“-Programms

Die langfristige Integration von Nanoelektronik in der Biomedizin könnte zu einem Wandel führen, meint Dr. Robert Bollinger, der das biomedizinische Nanoelektronik-Programm an der Johns Hopkins University leitet. „Die Möglichkeit einer patientennahen Labordiagnostik, wo auch immer diese stattfinden mag, wird den Zugang zu einer ausgezeichneten Behandlung erleichtern und den Bedarf an zweckbestimmten medizinischen Einrichtungen reduzieren.“

Es ist aber die Fähigkeit der Elektroindustrie, große Mengen an winzigen Produkten zu erzeugen, die die Welt wirklich verändern könnte. „Weil die Nanoelektronik sich die Herstellungsmaßstäbe der Halbleiterindustrie zunutze machen kann, schafft sie das Potenzial, diese Eigenschaften in großen Mengen und zu sehr niedrigen Kosten zu liefern“, sagt Bollinger. „Ein Diagnosetest, für den man weniger als zehn Minuten braucht und der weniger als zehn US-Dollar kostet, könnte das Gesundheitswesen in vielen Teilen der Welt völlig verändern.“