Licht am Ende der Nanoröhre

Winzige Kohlenstoffröhrchen sind ein Material mit fantastischen Eigenschaften und könnten die Elektronik revolutionieren

Das hier", sagt Cees Dekker und lächelt, während er das kleine Glasfläschchen schüttelt, "ist das schwarze Gold des 21. Jahrhunderts." Das Fläschchen enthält eine trübe, schwarze Brühe, die überhaupt nichts Spektakuläres hat. Darin schwimmen, fürs bloße Auge unsichtbar, vereinzelte Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auf Englisch carbon nanotubes. Auch die anderen Fläschchen, die der jungenhafte 43-jährige Physiker mit dem Bürstenhaarschnitt in den Regalen seines Labors an der holländischen TU Delft stehen hat, sehen unscheinbar aus: Ein paar schwarze Krümel sieht man bestenfalls, denn die Nanotubes sind im Prinzip Ruß.

Aber das ist so, als würde man sagen, Siliziumchips seien im Prinzip Sand.

Die winzigen Röhrchen, deren Molekülstruktur an aufgerollten Maschendraht erinnert, haben traumhafte physikalische Eigenschaften. Sie sind 20-mal so zugfest wie Stahl. Wärme leiten sie doppelt so gut wie Diamant, und dem elektrischen Strom setzen sie 1000-mal weniger Widerstand entgegen als Kupfer. Theoretisch könnte durch ein Kabel aus Nanotubes mit einem Quadratzentimeter Querschnitt ein Strom von einer Milliarde Ampère fließen - metallische Kabel würden bei dieser Stromstärke nicht nur schmelzen, sondern einfach verdampfen.

In den vergangen Jahren haben sich mehr und mehr Forscher darangemacht, diese theoretischen Eigenschaften in praktische Anwendungen umzusetzen. In Produkten findet man die Röhrchen bislang kaum, wenn man von einem dubiosen Tennisschläger absieht, der angeblich mit Nanotubes verstärkt ist. Aber schon im nächsten Jahr sollen die ersten Bildschirme auf den Markt kommen, die Kohlenstoffröhrchen enthalten. Und in 10 bis 20 Jahren, prophezeien einige Visionäre, sollen die Nanotubes das Silizium als Grundstoff der Elektronik ablösen.

Spitze Röhren für Bildschirme

Die Geschichte begann Ende der achtziger Jahre. Damals entdeckten Forscher in dem Ruß, der bei einer hoch energetischen Bogenentladung entstanden war, eine neue Form des Kohlenstoffs. Bis dahin kannte man reinen Kohlenstoff nur als Diamant oder Grafit. Bei den "Buckyballs" genannten neuen Molekülen bildeten die Atome eine Sphäre aus Fünf- und Sechsecken, genau wie bei einem Fußball.

Bilder des fotogenen Moleküls gingen um die Welt. Eine Anwendung für die Kohlenstofffußbälle wurde freilich nie gefunden.

Viel weniger Aufsehen erregte der Japaner Sumio Iijima, als er 1991 im Forschungslabor der Firma Nec die heute deutlich interessanteren Nanoröhrchen entdeckte. Bei denen ordnen sich die Atome in einem regelmäßigen Sechseckmuster an, nur dass sie keine Plättchen bilden wie beim Grafit, sondern sich zu perfekten Röhren zusammenrollen. Bei Iijimas Nanotubes steckten noch mehrere Röhrchen ineinander. In den folgenden Jahren wurde die Herstellungsmethode verfeinert, unter anderem von Richard Smalley von der texanischen Rice-Universität, der für die Entdeckung der Buckyballs den Nobelpreis bekommen hat. Inzwischen lassen sich auch einwandige Nanoröhren herstellen.

Vor allem für die elektrischen Eigenschaften der Nanotubes interessierten sich die Forscher von Anfang an. Denn unter den richtigen Umständen verhalten sie sich wie Metall und leiten den Strom. Sie bilden einen Draht, der nur aus einem Molekül besteht. Nach diesen dünnsten denkbaren Drähten suchen Forscher schon lange, nur sind bisher alle Versuche daran gescheitert, dass die durchfließenden Elektronen die Struktur der Moleküle veränderten. Mit den Nanoröhrchen klappte es. Die Elektronen sausten fast ohne Widerstand durch oder besser über die dünnen Leitungen.

Weil die Röhrchen nur wenige Nanometer Durchmesser haben und sehr spitz sind, ist es besonders leicht, sie durch elektrische Spannung dazu zu bringen, Elektronen durch die Luft zu schießen. Das macht sie zu einem idealen Werkstoff für eine neue Art von Monitoren, die so genannten FEDs (Field Emission Displays). Die arbeiten im Prinzip wie eine Bildröhre, es werden also Elektronen auf einen phosphoreszierenden Bildschirm geschossen - allerdings gibt es nicht nur einen zentralen Elektronenstrahl, der das Bild erzeugt, sondern hinter jedem Bildpunkt sitzt eine eigene, winzige Elektronenquelle. Das Konstruktionsprinzip ist relativ einfach: Die Nanoröhrchen werden mit einem Trägermaterial vermischt. Unweigerlich stehen ein paar heraus, aus denen unter Spannung munter die Elektronen zu spritzen beginnen. Die Displays können sehr flach gebaut werden, sind preiswerter als die heute üblichen Flachbildschirme und brauchen nur ein Drittel der Energie.

Im nächsten Jahr schon will Samsung die ersten Nanotube-Displays auf den Markt bringen.

Schwieriger wird es, will man einzelne Nanoröhrchen als elektronische Schaltelemente einsetzen. Dafür muss man sie nämlich anfassen und herumschieben, und das ist eine mühselige Arbeit. Cees Dekker gehörte zu den Ersten, die diese Mühsal auf sich nahmen. Er besorgte sich von Richard Smalley ein paar Gläschen mit Nanotubes und begann, die winzigen Fasern mit der Hilfe eines Rasterkraftmikroskops zu manipulieren. Dekker und seine Mitarbeiter schufen 1998 den ersten Transistor aus einem einzigen Nanoröhrchen.

Transistoren sind Halbleiter, sie lassen den Strom nur unter bestimmten Bedingungen fließen. Und die Röhrchen sind Halbleiter, wenn sie sozusagen schief gewickelt sind (siehe Bastelbogen). Nur die gerade Variante leitet wie Metall. Dekker legte ein Röhrchen über zwei winzige goldene Kontakte, das Siliziumoxid des Trägers wirkte als dritte Elektrode, die den Stromfluss steuert - und fertig war der erste Ein-Molekül-Transistor der Welt.

Inzwischen haben Forscherteams in mehreren Ländern auch andere elektronische Elemente aus einzelnen Nanoröhrchen gebaut. "Wir haben jetzt einen ganzen elektronische Baukasten", sagt Dekker. Ist damit die Grundlage für die Konstruktion neuartiger Chips gelegt?

Nach Alternativen zum bislang verwendeten Silizium wird händeringend gesucht.

Die herkömmlichen Chips lassen sich nämlich nicht mehr viel weiter verkleinern. Schon heute sind die Leiterbahnen nur noch etwa 150 Nanometer oder 700 Atome breit. Die Lithografie, mit der die Chipmuster aus dem Trägermaterial geätzt werden, kommt an ihre Grenzen, weil die Lichtstrahlen aufgrund ihrer Wellenlänge einfach ein zu grobes Werkzeug sind. Außerdem wird der Widerstand - und damit die Wärmeentwicklung - umso größer, je kleiner die Leiterbahnen sind - irgendwann wird der Chip einfach zu heiß.

Etwa zehn Jahre lang, rechnen die Experten, wird sich das berühmte Mooresche Gesetz, nach dem sich die Computerpower alle 18 Monate verdoppelt, mit der heutigen Chiptechnik noch fortschreiben lassen. Dann kommt die Leistungsgrenze für Silizium. Und da könnten die Nanoröhrchen eine Alternative sein.

Silizium trifft auf Kohlenstoff

Deshalb ließ eine Meldung aufhorchen, die der Chiphersteller Infineon im Juni an die Presse gab: In den Labors in München-Perlach war es den Forschern erstmals gelungen, Nanotubes auf Siliziumchips wachsen zu lassen. Das Infineon-Team um Wolfgang Hönlein bohrt winzige Löcher ins Silizium, unter dem sich eine metallische Schicht befindet, und lässt darauf die Kohlenstofffäden wachsen. Ein Büschel aus Nanotubes füllt das Loch aus - unter dem Rasterelektronenmikroskop sieht es etwa aus wie das Innere einer Rosshaarmatratze. Wenn es am anderen Ende mit einer weiteren Metallschicht verbunden wird, ist ein so genannter Via aus Kohlenstoff entstanden, eine Verbindung zwischen zwei Ebenen des Chips.

Das Ziel der Münchner Forscher ist es, mit herkömmlichen Techniken Kanäle für die Leiterbahnen auf den Chip zu ätzen, in die dann die Nanobüschel hineinwachsen. So ließen sich zumindest die metallischen Leiter auf dem Chip durch Bündel von Nanotubes ersetzen, die den Strom besser leiten und längst nicht so heiß werden.

Letztlich träumen aber auch die Infineon-Forscher davon, sämtliche Halbleiter auf dem Chip durch einzelne Nanoröhrchen zu ersetzen. Damit wären viel kleinere Strukturen möglich als heute, und das in drei Dimensionen. Auch Cees Dekker stellt sich solche reinen Kohlenstoffchips vor. Nur müssen dazu ganz neue Techniken erfunden werden - ein moderner Pentium-Chip enthält 40 Millionen Transistoren, und die wird man kaum einen nach dem anderen mit einem Rasterkraftmikroskop in Position bringen.

Um den Chip der Zukunft zu fabrizieren, sind mehrere Technologiesprünge vonnöten. Zunächst einmal bräuchten die Konstrukteure ein möglichst reines Ausgangsmaterial. Bei den heute vorhandenen Verfahren formieren sich die Nanotubes zufällig. Es entstehen ein- oder mehrwandige Exemplare, mit unterschiedlichem Durchmesser und mit unterschiedlicher Verdrehung. Letztere bestimmt immerhin die elektronischen Eigenschaften des Röhrchens.

Noch schwieriger wird die Suche nach einer Methode, die Millionen Bauteile zu einem Ganzen zusammenzufügen. Es ist die Suche nach dem Gral der Nanotechnologie, einzelne Moleküle so zu manipulieren, dass jedes an einem vorgegebenen Ort landet und sich wie geplant mit anderen verbindet.

Nano-Visionäre wie der Amerikaner Eric Drexler fantasierten von winzigen programmierten Arbeitsrobotern in molekularem Maßstab. Solche Baukastenideen hegt heute kaum noch ein ernsthafter Wissenschaftler. Das Zauberwort heißt vielmehr "Selbstorganisation". Man muss die Moleküle dazu bringen, sich von selbst an den richtigen Stellen zusammenzuschließen. Das Vorbild dazu findet sich mit der Erbsubstanz DNA in jeder lebenden Zelle. Sie ist ein Molekül, das sich sehr selektiv an andere bindet. Deshalb forscht das Team von Cees Dekker schon heute daran, Nanoröhrchen mit einem DNA-Schwänzchen zu versehen, sodass das Molekül "weiß", wo es hingehört. Auch wenn diese Arbeit noch in den Anfängen steckt - Dekker ist sicher, dass "DNA eine der wichtigen Komponenten im Werkzeugkasten der molekularen Elektronik sein wird".

Die Frage ist, ob dieser Werkzeugkasten der bewährten Chiptechnologie Konkurrenz machen kann. Die Siliziumelektronik ist sehr ausgereift - nur bei einer von 1016 Rechenoperationen macht ein moderner Chip einen Fehler. Kann man eine solche Perfektion mit einer Technik erreichen, bei der einzelne Moleküle als Leitungen und Schaltelemente fungieren? Nein, glaubt Cees Dekker. Nach seiner Auffassung ist es nicht damit getan, die heutigen Chips mit Nanoröhrchen quasi nachzubauen. Eine fehlertolerante Architektur der Elektronik müsse her, die nicht gleich zusammenbreche, wenn ein paar Transistoren nicht funktionierten. "In frühestens zehn Jahren, wenn überhaupt" werde man die Nanotubes industriell anwenden können, sagt Dekker.

Und da ist er sich einig mit dem Infineon-Forscher Wolfgang Hönlein. Die Nano-Revolution kommt nicht über Nacht.

Weitere Informationen im Internet:

www.zeit.de/2002/30/nanotubes