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Maßgeschneiderte Nanobänder aus Graphen Quantenketten für Nanotransistoren und Quantencomputer

| Autor / Redakteur: Karin Weinmann * / Christian Lüttmann

Nur wenige Atome breit und eine einzige Atomlage dick: Hochpräzise Kohlenstoffbänder könnten die Zukunft der Transistortechnologie bestimmen und sogar die Entwicklung von Quantencomputern voranbringen. Dies haben Empa-Forscher in Zusammenarbeit mit dem Max Planck Institut für Polymerforschung gezeigt. Durch gezielte Anpassung der Graphenbänder konnten sie neuartige robuste Quantenzustände erzeugen, die unter anderem eben jene Möglichkeiten eröffnen.

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Simulation der Rastertunnelspektrosokpie: Theoretische Vorhersage wie die zu erwarteten Quantenzustände am Ende des Karosegmentes im Experiment aussehen sollten.
Simulation der Rastertunnelspektrosokpie: Theoretische Vorhersage wie die zu erwarteten Quantenzustände am Ende des Karosegmentes im Experiment aussehen sollten.
(Bild: Empa)

Ein Material, das aus Atomen eines einzigen Elements besteht, aber je nach atomarem „Schnittmuster“ ganz andere Eigenschaften aufweist – das mag seltsam klingen, ist aber bei Nanobändern aus Graphen tatsächlich Realität. Die Bänder, die nur wenige Kohlenstoffatome breit und genau ein Atom dick sind, besitzen je nach Form und Breite ganz unterschiedliche elektronische Eigenschaften: Leiter, Halbleiter oder aber Isolator. Einem internationalen Forschungsteam unter Federführung der Empa-Abteilung „nanotech@surfaces“ ist es nun gelungen, durch eine gezielte Variation der Form der Bänder deren Eigenschaften präzise einzustellen.

Das Besondere daran: Damit lassen sich nicht nur die oben genannten „gewöhnlichen“ elektronischen Eigenschaften verändern – auch die Erzeugung spezieller lokaler Quantenzustände ist durch diese Technologie möglich.

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Was steckt dahinter? Wenn sich die Breite eines schmalen Graphen-Nanobands ändert, im Fall des Schweizer Experimentes von sieben auf neun Atome, entsteht am Übergang eine spezielle Zone: Weil sich die elektronischen Eigenschaften der beiden Bereiche auf eine besondere, so genannte topologische Art unterscheiden, entsteht in der Übergangszone ein „geschützter“ und damit sehr robuster neuer Quantenzustand. Diesen örtlich begrenzten elektronischen Quantenzustand kann man nun als Grundbaustein nutzen, um maßgeschneiderte Halbleiter, Metalle oder Isolatoren zu erzeugen – und ihn möglicherweise sogar einmal als Bauelement in Quantencomputern einzusetzen.

Einstellbare Bandbreite

Die Empa-Forscher unter der Leitung von Oliver Gröning konnten zeigen: Werden die Bänder so gebaut, dass sich unterschiedlich breite Bereiche regelmäßig abwechseln, dann entsteht durch die vielen Übergänge eine Kette von untereinander verknüpften Quantenzuständen mit einer eigenen elektronischen Struktur.

Das Spannende daran: Je nach Breite der unterschiedlichen Segmente ändern sich die elektronischen Eigenschaften der Kette. Dadurch lassen sich diese fein einstellen – vom Leiter zu Halbleitern mit unterschiedlich großen Bandlücken. Dieses Prinzip lässt sich auf viele verschiedene Überganszonen anwenden – zum Beispiel auch auf diejenige von sieben auf elf Atome Bandbreite. „Die Bedeutung dieser Entwicklung wird auch dadurch unterstrichen, dass eine Forschergruppe der University of California, Berkeley, unabhängig von uns zu analogen Ergebnissen gekommen ist“, hebt Gröning hervor.

Auf dem Weg zur Nanoelektronik

Auf Basis dieser neuartigen Quantenketten könnten sich künftig präzise Nanotransistoren herstellen lassen – ein grundlegender Schritt auf dem Weg zur Nanoelektronik. Denn ob der Schaltabstand zwischen dem „1“-Zustand und dem „0“-Zustand des Nanotransistors auch tatsächlich genügend groß ist, hängt von der Bandlücke des Halbleiters ab – und mit der neuen Methode lässt sich diese fast beliebig einstellen.

In der Realität ist dies aber nicht ganz so einfach: Damit die Kette die gewünschten elektronischen Eigenschaften erhält, muss jedes einzelne der mehreren Hundert oder gar Tausend Atome auch am richtigen Ort sein. „Dahinter steckt eine komplexe, interdisziplinäre Forschungsarbeit“, so Gröning. „Dabei arbeiteten Forschende aus unterschiedlichen Fachgebieten in Dübendorf, Mainz, Dresden, und Troy (USA) zusammen – vom theoretischen Verständnis über das spezifische Wissen, wie Vorläufermoleküle gebaut werden müssen und wie man die Strukturen auf Oberflächen gezielt wachsen lassen kann, bis hin zur strukturellen und elektronischen Analyse mittels eines Rastertunnelmikroskops.“

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Wie man präzise Nanobänder formt

Wie lassen sich Graphenstreifen im Nanometerbereich mit atomarer Präzision herstellen? Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Nanobänder herzustellen – etwa indem Kohlenstoffnanoröhrchen aufgetrennt oder Streifen aus einer größeren Graphenstruktur „geschnitten“ beziehungsweise „geätzt“ werden. Allerdings erlaubt keine dieser Methoden atomare Präzision und die besondere Strukturgebung, die hierfür notwendig ist.

Dazu braucht es eine „Bottom-up“-Strategie, also von den Grundbausteinen oder Vorläufermolekülen her kommend. Diese werden im Hochvakuum verdampft und fügen sich dann auf einer geeigneten Oberfläche nach mehreren komplexen Reaktionsschritten zur gewünschten Form zusammen – ähnlich wie Puzzlestücke, die aber von sich aus wissen, wo sie hingehören. Hierbei bestimmt die exakte Form der Vorläufermoleküle die atomare Struktur des schlussendlichen Nanobandes.

Schritt für Schritt zum Graphen Nanoband: Der Weg zum Graphen beginnt mit einem besonderen Vorläufermolekül (o.l.). Dieses besitzt zwei Kopplungsstellen, ähnlich wie ein Eisenbahnwagen, welche durch Bromatome (Br) zunächst blockiert sind. // Auf die Oberfläche eines Goldkristalls gedampft, können diese Kopplungsstellen aktiviert werden, indem die beiden Bromatome abgespalten werden. // Nun können sich die Moleküle zu langen Reihen (o.r.) aneinander binden. Zunächst sind aber diese Molekülketten noch sehr flexibel, weil viele der Kohlenstoffbindungen des Graphen nicht geschlossen sind. Dies geschieht in einem weiteren Schritt bei erhöhter Temperatur im Ultra-Hochvakuum. // Erst wenn alle Bindungen geschlossen sind, erhält man das fertige Nanoband, dessen Struktur schematisch in der Mitte dargestellt ist und dessen Rasterkraftmikroskopische Abbildung sich unten befindet.
Schritt für Schritt zum Graphen Nanoband: Der Weg zum Graphen beginnt mit einem besonderen Vorläufermolekül (o.l.). Dieses besitzt zwei Kopplungsstellen, ähnlich wie ein Eisenbahnwagen, welche durch Bromatome (Br) zunächst blockiert sind. // Auf die Oberfläche eines Goldkristalls gedampft, können diese Kopplungsstellen aktiviert werden, indem die beiden Bromatome abgespalten werden. // Nun können sich die Moleküle zu langen Reihen (o.r.) aneinander binden. Zunächst sind aber diese Molekülketten noch sehr flexibel, weil viele der Kohlenstoffbindungen des Graphen nicht geschlossen sind. Dies geschieht in einem weiteren Schritt bei erhöhter Temperatur im Ultra-Hochvakuum. // Erst wenn alle Bindungen geschlossen sind, erhält man das fertige Nanoband, dessen Struktur schematisch in der Mitte dargestellt ist und dessen Rasterkraftmikroskopische Abbildung sich unten befindet.
( Bild: Empa )

Ein Ausflug in die Quantenwelt

Ultrakleine Transistoren – und damit der nächste Schritt in der weiteren Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise – liegen hier als Anwendungsmöglichkeit nahe. Sie sind zwar eine technische Herausforderung, doch eigentlich funktioniert Elektronik, die auf Nanotransistoren aufgebaut ist, nicht fundamental anders als die heutige Mikroelektronik.

Die von den Empa-Forschern hergestellten halbleitenden Nanobänder würden es erlauben, Transistoren mit einem tausendmal kleineren Kanalquerschnitt als heute üblich zu realisieren. Es sind aber auch weitergehende Möglichkeiten denkbar, etwa im Bereich der Spintronik oder gar der Quanteninformatik.

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Denn die elektronischen Quantenzustände an bestimmten Übergängen verschieden breiter Graphen-Nanobänder können zusätzlich auch ein magnetisches Moment tragen. Dies könnte es ermöglichen, Information nicht wie bisher üblich durch Ladung, sondern durch den so genannten Spin – im übertragenen Sinne die „Drehrichtung“ des Zustandes – zu verarbeiten.

Und die Entwicklung könnte sogar noch einen Schritt weitergehen. „Wir haben beobachtet, dass an den Enden bestimmter Quantenketten topologische Endzustände auftreten. Dies bietet die Möglichkeit, diese als Elemente so genannter Qubits zu nutzen – die komplexen, untereinander verschränkten Zustände in einem Quantenrechner“, erklärt Gröning.

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Ein Quantencomputer aus Qubits

Während in einem gewöhnlichen Computer Information mittels Bits binär dargestellt wird (als 0 oder 1), erlaubt ein Quantencomputer komplexere Zustände. Er nutzt Phänomene der Quantenphysik, eine Welt mit speziellen, oft schwer fassbaren Eigenschaften. Genauso wie ein Elektron gleichzeitig Welle und Teilchen ist, kann ein Quantenzustand eine ‚1‘ und eine ‚0‘ darstellen – und zwar gleichzeitig. Während bei einem auf herkömmlichen Transistoren basierenden Computer die Rechenleistung mit zunehmender Anzahl an Bits maximal linear ansteigt, sind Qubits durch ihre Überlagerungs- und Verschränkungseigenschaften untereinander verbunden – die rechnerischen Möglichkeiten steigen dadurch (zumindest theoretisch) exponentiell an. Damit versprechen Quantencomputer große Fortschritte in rechenintensiven Bereichen wie der Kryptographie oder beim „Machine Learning“.

Material auch ohne exotische Bedingungen stabil

Heute und morgen werde aber noch kein Quantencomputer aus Nanobändern gebaut – es sei noch einiges an Forschung nötig, so Gröning. Dennoch hebt der Forscher die Bedeutung hervor, die die Ergebnisse schon jetzt haben: „Die Möglichkeit, die elektronischen Eigenschaften durch die gezielte Verknüpfung einzelner Quantenzustände flexibel einzustellen, stellt für uns einen großen Sprung in der Herstellung neuer Materialien für ultra-miniaturisierte Transistoren dar.“ Dabei spielt die Tatsache, dass diese Materialien unter Umgebungsbedingungen stabil sind, für die Entwicklung künftiger Anwendungen eine wichtige Rolle.

„Faszinierend ist allerdings auch das weitergehende Potenzial der Ketten, lokale Quantenzustände zu erzeugen und diese gezielt miteinander zu verknüpfen“, sagt Gröning weiter. „Ob sich dieses Potenzial auch tatsächlich für künftige Quantenrechner nutzen lässt, ist allerdings noch völlig offen.“ Denn hier genüge es nicht, lokalisierte topologische Zustände in den Nanobändern zu erzeugen – diese müssten auch mit anderen Materialien wie Supraleitern so gekoppelt werden, dass die Voraussetzungen für Qubits tatsächlich gegeben sind.

Originalpublikation: O Gröning, S Wang, X Yao, CA Pignedoli, G Borin Barin, C Daniels, A Cupo, V Meunier, X Feng, A Narita, K Müllen, P Ruffieux R Fasel: Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons. Naturevolume 560, pages209–213 (2018); DOI: 10.1038/s41586-018-0375-9

Hinweis: Wir haben den Beitrag unsererseits von dem SchwesterportalLabor Praxisübernommen.

* K. Weinmann, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz.

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