Grundlagenforschung Wird schwarzer Phosphor zum Halbleiter der Zukunft?

Redakteur: Franz Graser

Auf der Suche nach möglichst energieeffizienten Transistoren sind kanadische Wissenschaftler auf das Material Phosphoren gestoßen. Das ist eine Lage von schwarzem Phosphor mit der Dicke eines Atoms. Damit sind die Forscher dem möglichst dünnen Transistor möglicherweise einen Schritt näher gekommen.

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Die „höckerige Wabenstruktur“ von schwarzem Phosphor macht das Material interessant für Halbleiterforscher. Sie erhoffen sich von dem Material., noch mehr Transistoren auf einen Chip packen zu können.
Die „höckerige Wabenstruktur“ von schwarzem Phosphor macht das Material interessant für Halbleiterforscher. Sie erhoffen sich von dem Material., noch mehr Transistoren auf einen Chip packen zu können.
(Bild: McGill University)

Eine gemeinsame Studie von Forschern der McGill University und der Université de Montréal zeigt, dass sich Elektronen in einem Transistor, der aus Phosphor besteht, nur in zwei Dimensionen bewegen. Das bedeutet, dass Phosphor eine mögliche Antwort auf die Frage nach möglichst energieeffizienten Transistoren darstellen kann.

„Transistoren arbeiten effizienter, wenn sie sehr dünn sind und sich die Elektronen nur in zwei Dimensionen bewegen“, sagt Thomas Szkopek, außerordentlicher Professor am Institut für Elektro- und Computertechnik der McGill University in Montréal: „Und nichts ist dünner als eine einzelne Schicht von Atomen.“

Seit der Entdeckung des Graphens im Jahr 2004 sind Wissenschaftler weltweit auf der Suche nach ultradünnen Materialien, die effizientere Halbleiter versprechen. Eine davon ist der sogenannte schwarze Phosphor.

Diese Erscheinungsform des Phosphor ist dem Graphit sehr ähnlich. Sie lässt sich vergleichsweise leicht in Schichten zerlegen, die nur eine Atomlage dick sind. Diese Schichten werden Phosphoren genannt.

Im Gegensatz zu Graphen ist Phosphor bereits ein natürlicher Halbleiter. Für Professor Szkopek bietet dieses Material gute Chancen für dem Einsatz auf der atomaren Ebene.

Szkopek erläutert: „Für den Transistor der Zukunft benötigen die Designer eine Reihe von Materialien, die nur eine Atomlage dick sind: Einen idealen Halbleiter, ein ideales Metall und ein ideales Dielektrikum. Schwarzer Phosphor eignet sich für die Rolle des Halbleiters.“

Um die elektrischen Eigenschaften des Materials zu erforschen, beobachteten die Forscher den Elektronenfluss in einem Phosphortransistor im National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee im US-Bundesstaat Florida, dem größten Magnetlabor der Welt.

Dabei stellte sich heraus, dass sich die Elektronen in eine zweidimensionale Ladungsebene ziehen ließen, obgleich die Ladungsträger einen Rauminhalt beanspruchen, der mehrere Atomlagen dick ist. Dieses Ergebnis halten die Wissenschaftler für vielversprechend, da sich dadurch die Fertigung des Materials möglicherweise erleichtern ließe.

Allerdings geben die Wissenschaftler selbst zu, dass momentan noch niemand weiß, wie man das Material in industriellem Maßstab herstellen könnte. Immerhin meint Professor Szkopek: „Wir sind zwar immer noch weit von kommerziellen Transistoren mit Schichten von der Dicke eines Atoms entfernt, aber wir sind jetzt einen Schritt näher dran.“

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