Die Lösung für Nanochips der nächsten Generation kommt aus der Luft.

Forscher der RMIT University haben einen neuartigen Transistor entwickelt, den Baustein für die gesamte Elektronik. Anstatt elektrische Ströme durch Silizium zu leiten, senden diese Transistoren Elektronen durch enge Luftspalte, wo sie ungehindert wie im Weltraum reisen können.

Das in der Zeitschrift Nano Letters vorgestellte Gerät verzichtet auf den Einsatz von Halbleitern, wodurch es schneller und weniger anfällig für Erwärmung ist.

Lead-Autorin und Doktorandin in der Forschungsgruppe Funktionsmaterialien und Mikrosysteme des RMIT, Frau Shruti Nirantar, sagte, dieses vielversprechende Proof-of-Concept-Design für Nanochips als Kombination von Metall- und Luftspalten könnte die Elektronik revolutionieren.

„Jeder Computer und jedes Telefon hat Millionen bis Milliarden von elektronischen Transistoren aus Silizium, aber diese Technologie stößt an ihre physikalischen Grenzen, wo die Siliziumatome dem Stromfluss im Weg stehen, die Geschwindigkeit begrenzen und Wärme erzeugen“, sagte Nirantar.

„Unsere Luftkanal-Transistortechnologie lässt den Strom durch die Luft fließen, so dass es keine Kollisionen gibt, die sie verlangsamen und keinen Widerstand im Material zur Wärmeerzeugung.“

Die Leistung von Computerchips – oder die Anzahl der Transistoren, die auf einen Siliziumchip gepresst werden – steigt seit Jahrzehnten auf einem berechenbaren Weg und verdoppelt sich alle zwei Jahre. Aber diese Geschwindigkeit des Fortschritts, bekannt als Moore’s Law, hat sich in den letzten Jahren verlangsamt, da Ingenieure darum kämpfen, Transistorbauteile, die bereits kleiner als die kleinsten Viren sind, noch kleiner zu machen.

Nirantar sagt, dass ihre Forschung ein vielversprechender Weg für die Nanoelektronik als Reaktion auf die Einschränkung der siliziumbasierten Elektronik ist.

„Diese Technologie geht einfach einen anderen Weg zur Miniaturisierung eines Transistors, um das Moore’sche Gesetz noch mehrere Jahrzehnte aufrechtzuerhalten“, sagte Shruti.

Forschungsteamleiter Professor Sharath Sriram sagte, dass das Design einen großen Fehler in traditionellen Festkanaltransistoren gelöst hat – sie sind vollgepackt mit Atomen – was bedeutete, dass Elektronen, die durch sie hindurchgehen, kollidiert, verlangsamt und Energie als Wärme verschwendet haben.

„Stell dir vor, du gehst auf einer dicht bevölkerten Straße, um von Punkt A nach B zu gelangen. Die Menge verlangsamt deinen Fortschritt und entzieht dir deine Energie“, sagte Sriram.

„Im luftleeren Raum zu reisen ist dagegen wie eine leere Autobahn, auf der man mit höherer Energieeffizienz schneller fahren kann.“

Aber obwohl dieses Konzept offensichtlich ist, würden Vakuumverpackungslösungen um Transistoren herum, um sie schneller zu machen, sie auch viel größer machen, so dass sie nicht realisierbar sind.

„Wir gehen das an, indem wir eine nanoskalige Lücke zwischen zwei Metallpunkten schaffen. Der Abstand ist nur wenige zehn Nanometer oder 50.000 mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares, aber es genügt, Elektronen zu täuschen, dass sie durch ein Vakuum reisen, und einen virtuellen Außenraum für Elektronen innerhalb des nanoskaligen Luftspalts wiederherzustellen“, sagte er.

Das nanoskalige Gerät ist so konzipiert, dass es mit modernen industriellen Fertigungs- und Entwicklungsprozessen kompatibel ist. Es hat auch Anwendungen im Weltraum – sowohl als strahlungsresistente Elektronik als auch zur Nutzung der Elektronenemission zur Steuerung und Positionierung von Nanosatelliten.

„Dies ist ein Schritt in Richtung einer aufregenden Technologie, die darauf abzielt, etwas aus dem Nichts zu erschaffen, um die Geschwindigkeit der Elektronik deutlich zu erhöhen und das Tempo des schnellen technologischen Fortschritts aufrechtzuerhalten“, sagte Sriram.

Mehr Informationen:
Shruti Nirantar et al, Metal-Air Transistoren: Halbleiterfreie Feldemissionsluftkanal-Nanoelektronik, Nano-Letter (2018). DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02849

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