Graphen und seine wundersame 100-GHz-Transistorkapazität

Graphen ist das wundersame Supermaterial, das im wahrsten Sinne des Wortes nicht von dieser Welt ist, nicht zuletzt, weil seine ständig wachsende Liste potenzieller Anwendungen und Fähigkeiten wie aus einem Marvel-Comic zu sein scheint, sondern auch, weil Graphen im Moment, wie schon seit einiger Zeit, völlig unpraktisch ist. Die Anwendungen sind umfangreich, aber die Nutzbarkeit ist es nicht, nur 1 Quadratzoll kostet ungefähr $60, während es weithin vorgeschlagen wird, dass Graphen nur $1 pro Quadratzoll erreichen muss, um es in technologischen Anwendungen machbar zu machen, während für Touchscreen-Anwendungen 10 Cent pro Quadratzoll der Richtwert ist.

Graphen ist eine Sensation, da es aus einer wabenförmigen Schicht von Atomen aufgebaut ist. Das ist eine einzelne Schicht von Atomen, die man aufheben kann, was absolut unglaublich ist. Es ist das erste 2D-Material der Welt und hat Wissenschaftler und Industrielle in helle Aufregung versetzt - und das zu Recht. Das Graphene Flagship Consortium - zu dem auch Nokia gehört - hat gerade einen großen Zuschuss der EU für die Entwicklung und Erforschung von Graphen erhalten, der sich über die nächsten 10 Jahre erstreckt. Graphen wird aus Graphit hergestellt, demselben Graphit, das auch in Ihrem Bleistift enthalten ist. Es wurde 2004 an der Universität Manchester entdeckt, und sechs Jahre später erhielten Professor Andre Geim und Dr. Kostya Novoselov den Nobelpreis 2010 für ihre Bemühungen.

Es wird in einem Prozess gezüchtet, der als mechanische Exfoliation bezeichnet wird, und obwohl es schwierig ist, kann man dies selbst nachmachen, indem man Graphitpulver, Wasser und Spülmittel in einer Hochgeschwindigkeitsmischung kombiniert - und schon hat man das stärkste Material, das die Menschheit kennt. Während die meisten skalierten Techniken weniger als ein halbes Gramm pro Stunde schaffen, besteht der wirkliche Bedarf an einer größeren und billigeren Produktion. Die Entwicklungen sind äußerst aufregend, die Festigkeit ist ein entscheidender Faktor, denn ein Bruchteil von Graphen verbessert die Festigkeit von Polyestern um 50 %, aber es sind die thermischen Eigenschaften, die die Industrie beleben, denn wir sind stark von der Technologie abhängig und es fehlt an entsprechenden realen Anwendungen, was genau der Stolperstein für Graphen ist.

Würde man ein Blatt Graphen auf ein weißes Blatt Papier legen, könnte man mit bloßem Auge eine Schicht von Atomen erkennen! Wissenschaftler haben nun einen Transistor auf Graphenbasis entwickelt, der einen extrem niedrigen Stromverbrauch hat und letztlich dazu dienen könnte, die Taktrate von Prozessoren auf erstaunliche 100 GHz zu erhöhen. Derzeitige Transistoren erlauben es Elektronen - ausgelöst durch eine Stromquelle - durch eine Energiebarriere zu springen, um den Strom auf der anderen Seite zu verändern, und so wie sie funktionieren, gibt es nur sehr wenig Spielraum zur Verbesserung der Effizienz und damit der Gesamtleistung.

Tunneltransistoren verbrauchen weniger Strom als Standardtransistoren. Sie ermöglichen es den Elektronen, die Energiebarriere durch Quanten-Tunneling zu durchdringen, wobei das Problem derzeit darin besteht, dass der Strom, der auf der anderen Seite der Energiebarriere fließt, für praktische Anwendungen zu gering ist. Forscher am Moskauer Institut für Physik und Technologie haben sich daher die zweidimensionalen und ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Graphen zunutze gemacht, indem sie zwei aneinander gebundene Graphenschichten verwendeten. Die Elektronen am Rande dieses "Sombreros" tendieren gegen unendlich, und wenn eine kleine Spannung angelegt wird, tunnelt eine große Menge dieser Elektronen auf einmal, was zu einer scharfen Änderung des Stroms auf der anderen Seite der Energiebarriere führt. Das Endergebnis ist dasselbe, aber es erfordert eine wesentlich geringere Spannung, verbraucht weniger Energie, erzeugt weniger Wärme und ermöglicht höhere Taktraten, ohne dass man sich Sorgen machen muss, dass überschüssige Wärme den Chip zerstört.

In den letzten 10 Jahren hat sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit kaum weiterentwickelt und lag 2005 bei etwa 4 GHz und ist seither nur noch geringfügig gestiegen. Ein Transistor auf Graphenbasis hat einen Betriebsspannungsbereich von 150 mV im Vergleich zu 500 mV bei Siliziumtransistoren, so dass Graphen der nächste Schritt sein könnte, der die Rechenleistung drastisch erhöhen könnte.

Die Dichte von Graphen ist eine Million Mal größer als die von Kupfer, und seine innere Mobilität ist hundert Mal größer als die von Silizium. Es kann Elektrizität mit höherer Effizienz, besserer Präzision und schneller als jedes andere Material transportieren, was zu einer breiten Palette alltäglicher Anwendungen führt, wie z. B. Batterien, die eine zehnmal höhere elektrische Speicherkapazität haben als alles, was derzeit erhältlich ist. Graphen ist das einzige Material, das sich bei Wärme zusammenzieht und bei Abkühlung ausdehnt, was es zum ersten und einzigen Beispiel für eine elektrisch leitfähige Membran macht.

Das Energieband von Graphen

Nicht einmal Heliumatome können das undurchlässigste Material durchdringen, das entdeckt wurde, und es scheint darauf bedacht zu sein, alle Rekorde zu brechen, die ein Material aufstellen kann. Das bedeutet, dass es sich hervorragend als Gasdetektor eignet und sogar schon zur Destillation von Wodka bei Raumtemperatur verwendet wurde. Wie bereits erwähnt, ist das Potenzial von Transistoren beeindruckend, aber dies öffnet offensichtlich die Tür zur Quantenphysik, indem es äußerst komplexe Experimente in der Hochgeschwindigkeits-Quantenphysik tatsächlich möglich macht.

Transistoren sind nur der Anfang, denn ihre leichten, dünnen, flexiblen und dennoch haltbaren Eigenschaften eignen sich perfekt für elektrische Komponenten in Bildschirmen, Schaltkreisen, Solarzellen sowie medizinischen, chemischen und industriellen Prozessen, die durch diese völlig verblüffende Entdeckung verbessert werden könnten, die fast schon weit hergeholt klingt, aber seit 2004 hat der Adoptivsohn der Wissenschaft immer wieder für Überraschungen gesorgt.

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