Dieser kleine elektronische Chip ist nur 3 Atome dick

Ein winziger, nur drei Atome dicker elektronischer Chip könnte zu fortschrittlichen Schaltungen führen, die leistungsstark, flexibel und transparent sind, so die Forscher in einer neuen Studie. Die Wissenschaftler sagten, dass der Chip einen neuen Weg zur Massenproduktion atomar dünner Materialien und Elektronik demonstriert.

Diese Materialien könnten genutzt werden, um elektronische Displays an Fenstern oder Windschutzscheiben zu entwickeln, zusammen mit leistungsstarken Mikrochips, in denen sich Schaltungen nicht nur zweidimensional, sondern auch dreidimensional ausbreiten, so die Forscher.

Seit mehr als 50 Jahren ist Silizium das Rückgrat der Elektronikindustrie. Da Siliziumtransistoren jedoch die Grenzen der Miniaturisierung erreichen, untersuchen Wissenschaftler weltweit neue Materialien, die als Grundlage für noch kleinere Geräte dienen könnten.

In den letzten zehn Jahren entdeckten die Forscher, dass atomar dünne Materialien als Grundlage für elektronische Geräte dienen können. Zum Beispiel sind Graphen - ein Material, das mit Blei in Bleistiften verwandt ist - jeweils nur ein Kohlenstoffatom dick. Graphen ist ein ausgezeichneter Elektrizitätsleiter, wodurch es sich ideal für die Verdrahtung eignet.

Frühere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass Graphen kein Halbleiter ist, während Silizium ist. Dies bedeutet, dass Graphen nicht einfach in Transistoren verwendet werden kann, den mikroskopischen Schaltern, die das Herz elektronischer Schaltkreise bilden. Ein Halbleiter kann entweder als Leiter oder als Isolator wirken, um den Stromfluss zu aktivieren oder zu deaktivieren. Transistoren bestehen typischerweise aus Halbleitern und verlassen sich auf die Eigenschaften dieser Materialien, um ein- und auszuschalten, um Bits von Daten als digitale Einsen und Nullen zu symbolisieren.

Daher erforschen einige Forscher anstelle von Graphen Molybdänit oder Molybdändisulfid (MoS2) für den Einsatz in fortgeschrittener Elektronik. Molybdändisulfid ist ein Halbleiter, und die neue Studie stellt fest, dass Molybdändisulfid-Transistoren "deutlich besser ein- und ausgeschaltet werden können als Graphen und etwas besser als Silizium", sagte Studienautor Eric Pop, Elektroingenieur an der Stanford University in Kalifornien.

Darüber hinaus können Filme aus Molybdändisulfid so dünn sein wie nur drei Atome, von denen jedes aus einer Schicht aus Molybdänatomen besteht, die zwischen zwei Schichten von Schwefelatomen angeordnet sind. Eine Einzelmolekülschicht aus Molybdändisulfid ist nur sechs Zehntel Nanometer dick. Im Gegensatz dazu sei die aktive Schicht eines Silizium-Mikrochips bis zu etwa 100 Nanometer dick, sagte Pop. (Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter; das durchschnittliche menschliche Haar ist ungefähr 100.000 Nanometer breit.)

Diese Einzelmolekül-dünnen Chips wären nicht nur flexibel, sondern auch transparent. "Was wäre, wenn dein Fenster auch ein Fernseher wäre, oder du könntest ein Head-Up-Display auf der Windschutzscheibe deines Autos haben?" Studienleiter Kirby Smithe, ein Elektroingenieur an der Stanford University, sagte in einer Erklärung.

Wissenschaftler haben darum gekämpft, Wege zu finden, außergewöhnlich dünne Schichten von Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid in Massen herzustellen. Zum Beispiel beinhalteten anfängliche Experimente mit Graphen das Aufreißen von Schichten des Materials von einem Felsen unter Verwendung von Klebeband, eine unordentliche Technik, die wahrscheinlich bei der Herstellung in großem Maßstab praktisch nicht verwendet wird, sagte Pop.

Jetzt haben Pop und seine Kollegen eine neue Strategie zur Massenproduktion von Molybdändisulfid-Chips entwickelt. "Wir müssen uns schließlich nicht auf die Scotch-Tape-Methode verlassen, um diese außerordentlich dünnen Materialien herzustellen", sagte Pop gegenüber Live Science.

Um ihren ultradünnen Chip zu erzeugen, verbrannten die Wissenschaftler kleine Mengen Molybdän und Schwefel und nutzten den entstehenden Dampf, um auf einer Vielzahl von Oberflächen, wie Glas oder Silizium, moleküldünne Schichten aus Molybdändisulfid zu bilden. "Wir haben eine Menge mühsamer Versuche und Fehler gemacht, um die richtige Kombination von Temperatur und Druck zu finden, um diese Schichten wiederholbar wachsen zu lassen", sagte Pop.

Unter Verwendung dieser neuen Technik stellten die Forscher Einzelmolekül-dicke Molybdändisulfid-Chips her, die ungefähr 1,5 mm breit waren. Diese Chips sind jeweils etwa 25 Millionen Mal breiter als dick, sagten die Forscher.

Um zu zeigen, wie Schaltkreise auf diese Einzelmolekül-dicken Chips geätzt werden könnten, verwendeten die Wissenschaftler Elektronenstrahlen, um das Logo der Stanford University auf die Molybdändisulfidfilme zu gravieren. Die Forscher ätzten auch die Portraits der beiden Kandidaten der großen Parteien der US-Präsidentschaftswahl 2016, Hillary Clinton und Donald Trump.

"Vielleicht sehen Porträts, die in eine dreiatomige Leinwand geätzt wurden, zukünftige Forscher auf eine Art und Weise, die wir uns noch nicht einmal vorstellen können", sagte Pop in einer Erklärung.

Die Wissenschaftler werden sich nun auf die Möglichkeiten konzentrieren, diese Filme in ihrer Gesamtheit zu vereinheitlichen und daraus Schaltungen herzustellen, so Pop. "Wir können uns vorstellen, Molybdänsulfidschichten auf Siliziumschichten aufzubringen, um Mikrochips vertikal statt horizontal zu bauen", sagte Pop. "Es wäre viel einfacher, Energie um solche 3D-Architekturen zu mischen als herkömmliche flache Architekturen."

Weitere Studien könnten auch Möglichkeiten aufzeigen, um Molybdändisulfidschichten von den Oberflächen, auf denen sie hergestellt werden, vorsichtig zu entfernen und sie auf Materialien wie Stoff oder Papier zu übertragen. Eine Strategie dafür könnte ein relativ gut bekannter industrieller Prozess sein, der den Einzelmolekül-Dünnfilm mit einem klebrigen, flexiblen Kunststoffpolymer beschichtet und dann diese Kombination vorsichtig von einer Oberfläche abzieht.

"Das klingt sehr nach Scotch Tape, aber es würde sich um einheitliche Polymerfolien handeln, die mit konstanter Kraft auf automatisierte und viel kontrolliertere Weise abgeschält werden können", sagte Pop.

Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse online am 1. Dezember in der Zeitschrift 2D Materials vorgestellt.

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