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(Quelle: Vybi/Shutterstock.com)

Elektronische Geräte und die darin enthaltenen Komponenten werden von Jahr zu Jahr kleiner. Diese Entwicklung wurde durch die Nachfrage der Verbraucher nach kleineren Geräten vorangetrieben, die die gleichen Fähigkeiten und die gleiche Leistung, wenn nicht sogar eine bessere bieten als die vorher existierende „sperrigere“ Technologie. Im Folgenden untersuchen wir genauer, wie die Nanoelektronik nicht nur die Größe elektronischer Geräte reduziert, sondern auch die gleiche oder eine bessere Leistung bietet.

Die Einführung der Nanoelektronik

Konventionelle Materialien können nur bis zu einem gewissen Grad verkleinert werden, bevor sie einen Punkt erreichen, an dem sie nicht mehr kleiner werden können. Hier kommt die Nanotechnologie ins Spiel. Sie hat die Entwicklung der Nanoelektronik ermöglicht, d.h. elektronische Komponenten, die aus Nanomaterialien hergestellt werden und nur noch einen Bruchteil der Größe von Komponenten aus herkömmlichen „Massenmaterialien“ haben. Ein Beispiel für ein nanoelektronisches Gerät ist eine Batterie auf Graphenbasis. Hierbei handelt es sich um ein Bauteil in hohen Stückzahlen, das Nanomaterialien verwendet, aber im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) eine bis zu 5-6-fache höhere Energiedichte aufweisen kann und trotzdem kleiner ist als ihre Li-Ionen-Pendants. Ein weiteres Beispiel – mit reinem Fokus auf elektronische Komponenten in Nanogröße – sind Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Solche kleinen Transistoren sprengen die Grenzen der konventionellen Technologie. Weil sie so klein sind (und dennoch effizient genug, um gut zu funktionieren), können mehr Transistoren in Schaltungen und Computerchips eingebaut werden, was die Arbeitsgeschwindigkeit der Geräte erhöht.

Die Verwendung von Nanomaterialien – also Materialien, die zwischen 1 und 100 Nanometer groß sind – hat viele Vorteile. Nanomaterialien sind nicht nur von Natur aus klein (oft sehr dünn) und können somit dazu beitragen, die Komponenten eines Geräts zu verkleinern (was wiederum dazu beitragen kann, die Größe des Geräts selbst zu reduzieren). Aufgrund ihrer geringen Größe haben sie eine sehr große relative Oberfläche, die in vielen Fällen sehr aktiv ist – das beste Beispiel für eine aktive Oberfläche ist Graphen. Die Oberfläche von Graphen interagiert sehr stark mit ihrer Umgebung, beispielsweise durch die Leitung von Elektronen zwischen den Oberflächen oder die Interaktion mit Umweltreizen/Molekülen bei Sensorikmechanismen.

Die meisten nanoelektronischen Komponenten werden entweder mit 2D-Materialien oder Halbleitern entwickelt, also besonders aktiv sind. Aufgrund dieser Eigenschaften können Nanomaterialien einen ebenso hohen, wenn nicht sogar höheren elektrischen Wirkungsgrad bieten als die in herkömmlichen Bauteilen verwendeten Bulk-Materialien, aber mit dem Vorteil, dass sie viel kleiner sind. Dies gilt insbesondere für leitende oder halbleitende Nanomaterialien, die häufig elektrische Leitfähigkeiten und Ladungsträgermobilitäten – und im Falle von Halbleitern effizientere Übergänge – aufweisen, die viel höher sind als bei Bulk-Materialien. Darüber hinaus sind viele Nanomaterialien von Natur aus stabil gegenüber hohen Temperaturen, Druck und Chemikalien, was je nach Bauteil häufig gefordert ist. So ist beispielsweise die thermische Stabilität sehr wichtig, wenn die Geräte heiß werden.

Aber nicht nur die leitfähigen Nanomaterialien sind effizient. Die elektrisch leitenden Nanomaterialien bekommen zwar die meiste Aufmerksamkeit, aber es gibt auch viele elektrisch isolierende Nanomaterialien, die für den Schutz bestimmter Bereiche eines nanoelektronischen Bauelements ebenso wichtig sein können. Häufig werden sogar Heterostrukturen eingesetzt, bei denen eine leitende Nanomaterialschicht zwischen zwei isolierenden Nanomaterialschichten liegt, weil die Leitfähigkeit – und damit der elektrische Strom – besser gelenkt werden kann (was zu einem geringeren elektrischen Energieverlust führt). Weitere Eigenschaften von Nanomaterialien sind ihre Fähigkeit, Quantenphänomene zu realisieren und zu nutzen. Dies kann zu effektiveren elektronischen Strömen führen, da es wenig bis keinen Widerstand gibt, wenn die Elektronen zwischen quantenbegrenzten Bereichen wandern. Diese Phänomene sind auch die Grundlagen für das, was hoffentlich die nächste Generation von Technologien sein wird, nämlich die Quantentechnologien. Es gibt also eine breite Palette von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, die eingesetzt werden können.

Neben den Vorteilen bei den Eigenschaften bietet auch die Herstellungsweise von Nanomaterialien die Möglichkeit, kleinere Komponenten zu entwickeln. Die meisten Komponenten, die nicht aus Nanomaterialien bestehen, müssen mit einem Top-Down-Ansatz hergestellt werden, d. h., ein größeres Material wird in kleinere Strukturen zerlegt. Aber es gibt Grenzen, wie klein man werden kann, wenn die strukturelle Genauigkeit beibehalten werden soll, insbesondere wenn es sich um eine komplexe Architektur handelt. Nanomaterialien können ebenfalls auf diese Weise hergestellt werden, aber wenn man Nanomaterialien haben möchte, die strukturell genau, rein und sehr klein sind, dann sollten sie mit einem Bottom-up-Ansatz hergestellt werden, bei dem Nanomaterialien Atom für Atom erzeugt werden. Es ist ein kontrollierterer Ansatz, der es ermöglicht, die Größe der Komponenten zu reduzieren und gleichzeitig die aktiven Nanomaterialien rein und architektonisch so zu gestalten, dass sie zu ihrer spezifischen Anwendung passen. In vielen Fällen können beide Methoden zusammen verwendet werden. Zunächst werden die dünnen nanoelektronischen Komponenten durch einen Bottom-up-Ansatz erzeugt und anschließend mit einem Top-down-Ätz- oder Lithografieansatz strukturiert.

Umfang der Nanoelektronik

Was fällt also in den Bereich der Nanoelektronik? Abgesehen davon, dass es sich um eine kleinere Version der Elektronik handelt, umfasst sie alles von Komponenten im Nanomaßstab bis hin zur Quantentechnologie, Spintronik und Molekularelektronik (d. h. Elektronik aus einzelnen Molekülen). Es gibt viele einzelne Komponenten, die im Bereich der Nanoelektronik vorhanden sind, denn die Nanoelektronik umfasst alles von Energiespeichern und Energieerzeugungssystemen über Transistoren bis hin zu flexiblen und druckbaren Schaltkreisen, Schaltern, Photodetektoren, Sensoren, Displays, Speichersystemen, Funksendern in Nanogröße und Quantengeräten – und dazwischen gibt es noch wesentlich mehr, dies sind nur die bekanntesten Komponenten.

Alle diese Geräte bestehen aus verschiedenen Nanomaterialien, und dieselben Komponenten können mit sehr unterschiedlichen Nanomaterialien hergestellt werden, je nach gewünschter Effizienz, einfacher Herstellung und Kosten. Man kann auch sagen, dass die Nanoelektronik die meisten Formen von Nanomaterialien nutzt, von 2D-Materialien und anderen Dünnschichtmaterialien bis hin zu Nanoröhren, Fullerenen, Nanodrähten, Nanopartikeln und Quantenpunkten.

Fazit

Das Feld der Nanoelektronik ist in den letzten Jahren langsam gewachsen und ist die Antwort auf die steigende Nachfrage nach Elektronik, die kleiner sein soll, aber dennoch eine hohe Leistung bietet. Auf Nanomaterialien basierende Komponenten können in wesentlich kleineren Abmessungen hergestellt werden als solche aus traditionellen, Bulkmaterialien. Dies trägt dazu bei, die Gesamtgröße des elektronischen Geräts zu reduzieren. Außerdem sind viele Nanomaterialien in den meisten Umgebungen stabil, sei es in einem Sensor in einer rauen chemischen Verarbeitungsumgebung oder in einem elektronischen Gerät, das viel Restwärme an die internen Komponenten abgibt. Die Nanoelektronik umfasst viele Bereiche, aber einige der am meisten untersuchten Systeme sind von Nanomaterialien inspirierte Energiespeicher und Energieerzeugungssysteme, verschiedene Arten von Transistoren in Nanogröße und auf Molekularebene, optoelektronische Geräte und flexible/druckbare Schaltungen, bei denen die Nanomaterialien oft in eine Tinte formuliert und gedruckt werden. Künftige Anwendungen werden sehr wahrscheinlich verschiedene Quantentechnologien nutzen, sofern sie auf kommerzieller Ebene realisiert werden können. Zudem ist zu erwarten, dass die Produktion kleinerer Komponenten für klassische Computersysteme und Alltagstechnologien zunehmen wird.