Im Bereich der Halbleiter dominiert Silizium seit langem die Herstellung von Produkten wie Smartphones, Computern und Elektrofahrzeugen. Ein Forschungsteam der Pennsylvania State University hat nun jedoch einen Durchbruch erzielt, indem es zweidimensionale Materialien – nur ein Atom dick, aber mit hervorragenden elektronischen Eigenschaften – nutzte, um den weltweit ersten 2D-Computer zu entwickeln, der einfache Berechnungen durchführen kann. Diese in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit markiert einen wichtigen Fortschritt hin zu dünneren und effizienteren elektronischen Geräten.
Die Erfindung des 2D-Computers
Während sich die traditionelle CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) auf Silizium stützt, verwendete das Team zwei 2D-Materialien – Molybdändisulfid (n-Typ-Transistoren) und Wolframdiselenid (p-Typ-Transistoren) – um einen vollständigen CMOS-Computer zu konstruieren. 2D-Materialien behalten ihre hervorragende Leistung bei atomarer Dicke und vermeiden so die Leistungsverschlechterung von Silizium bei der Miniaturisierung.
Mittels Metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) stellte das Team über 1.000 Transistoren her. Durch präzise Steuerung des Herstellungsprozesses optimierten sie die Schwellenspannung der Transistoren, sodass der Computer bei niedriger Spannung mit extrem geringem Stromverbrauch und einer maximalen Betriebsfrequenz von 25 kHz arbeiten kann. Obwohl die Leistung aktuell noch hinter der herkömmlicher Siliziumchips zurückbleibt, beweist diese Forschung die Machbarkeit von 2D-Materialien im Computerbereich. Computermodelle, die die 2D-Technologie mit fortschrittlichem Silizium vergleichen, zeigen ein erhebliches Optimierungspotenzial.
Obwohl die Forschung an 2D-Materialien später begann (um 2010), entwickelt sie sich rasant. Verglichen mit den 80 Jahren Siliziumtechnologie könnte dieser Durchbruch eine neue Ära dünnerer und effizienterer elektronischer Geräte einläuten.
Die Schlüsselmaterialien
Was ist Molybdändisulfid (MoS₂)?
Als Hauptbestandteil von Molybdänglanz mit der chemischen Formel MoS₂ weist es metallischen Glanz auf. Es ist ein wichtiger Feststoffschmiermittel, besonders geeignet für Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen. Mit seinen antimagnetischen Eigenschaften kann es als linearer Photoleiter und als Halbleiter (p- oder n-Typ) dienen, was für Gleichrichtung und Energieumwandlung nützlich ist. Es wirkt auch als Katalysator bei der Dehydrierung komplexer Kohlenwasserstoffe.
Im Vergleich zu Graphen (einem anderen 2D-Material) besitzt MoS₂ eine Bandlücke von 1,8 eV (bei Graphen nicht vorhanden), was es vielversprechend für Nano-Transistoren macht. Einlagige MoS₂-Transistoren erreichen eine Elektronenbeweglichkeit von bis zu 500 cm²/(V·s) und ein Stromverhältnis von 1×10⁸.
Was ist Wolframdiselenid (WSe₂)?
Wie MoS₂ und WS₂ ist WSe₂ ein schichtartiges Material mit geringer Dimensionalität und niedrigem Reibungskoeffizienten. Seine hexagonale Struktur ähnelt der von MoS₂, wobei jedes Wolframatom an sechs Selenatome in trigonal-prismatischer Koordination gebunden ist. Die W-Se-Bindungslänge beträgt 2,526 Å, während die Se-Se-Entfernung 3,34 Å beträgt, wobei die Schichten durch Van-der-Waals-Kräfte verbunden sind.
Mit einer Bandlücke von 1,35 eV, hervorragenden optischen Eigenschaften und physikalisch-chemischer Stabilität eignet sich WSe₂ ideal für photovoltaische Geräte und ultraflache LEDs.
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