Graphen - neuer Wunderstoff für Computerchips

Ein neuer Superstoff könnte bald die Welt der Computer revolutionieren: Graphen. Das erst 2004 entdeckte Material hat Eigenschaften, die den Bau von Superrechnern, biegsamen Displays oder perfekten Kopfhörern erlauben. Die ersten Graphen-Produkte könnten bald in Serie gehen.

Rechner mit 100 Gigahertz Taktfrequenz? Akkus, die man in 90 Sekunden aufladen kann? All das wäre mit Graphen erreichbar. Zwar wird derzeit noch mit dem aus Kohlenstoffatomen bestehenden Wunderstoff geforscht, aber die Ergebnisse sind vielversprechend.

Graphen ist im Prinzip das gleiche Material, das wir auch in unserem Bleistiftspitzen finden – Graphit. Mit einem Unterschied: Graphen besteht nur aus einer einzigen Lage von hexagonal verknüpften Kohlenstoffatomen (siehe Titelbild). Im Jahr 2010 erhielten Andre Geim und Konstantin Novoselov den Nobelpreis für die Entdeckung des Stoffes, den sie durch wiederholtes Ablösen von Graphitschichten mittels eines Klebebands erzeugten. Graphen hat geradezu unglaubliche Eigenschaften:

• Es ist mit 0,34 Nanometern Höhe eine Million Mal dünner als ein Blatt Papier
• Ein Quadratkilometer Graphen wiegt gerade einmal 756 Gramm.
• In Schichtrichtung ist Graphen genauso steif wie Diamant.
• Graphen ist praktisch durchsichtig.
• Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Milliarde mal höher als die von dotiertem Silizium auf Computerchips.

Möglich wird das dadurch, dass C-Atome wie in einer Honigwabenstruktur zweidimensional miteinander verbunden sind. Dabei befindet sich über und unter der Schicht eine delokalisierte Elektronen“wolke“. Genau diese Elektronen sind sehr leicht in Bewegung zu setzen und treiben somit die elektrische Leitfähigkeit des Materials in schwindelerregende Höhen.

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Die hohe elektrische Leitfähigkeit geht auch mit einem geringen elektrischen Widerstand einher. Dadurch erhitzt sich Graphen bei weitem nicht so stark wie das bisher in Computerchips eingesetzte Silizium. Die Folge: Es lassen sich Prozessoren mit sehr viel höherer Leistung bauen. Ein 100-GHz-Prozessor mit Siliziumtransistoren würde einfach schmelzen. IBM hat bereits 2010 einen Graphen-Transistor mit dieser Taktrate entwickelt. Daneben hat Graphen einen weiteren enormen Vorteil gegenüber Silizium. Wie Konstantin Novoselov herausgefunden hat, reparieren sich Graphenschichten in Anwesenheit eines Palladiumakatalysators sowie von genügend Kohlenstoffatomen selbst, falls eine Beschädigung auftritt.

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Die grosse Stärke des Wunderstoffes ist aber auch gleichzeitig der Grund, warum die erste Graphen-CPU noch auf sich warten lassen wird. Es existiert in Graphen nämlich, im Gegensatz zu Silizium, keine energetische Bandlücke zwischen dem Valenz- und Leitungsband der Elektronen. Ein Siliziumtransistor „öffnet“ sich nur für Elektronen, wenn eine Spannung anliegt – dann werden die Elektronen auf einen energetisch höheren Zustand angehoben und das Material leitet den Strom. Ein Graphentransistor wäre permanent geschaltet. Für den Computerbau ist jedoch eine An-Aus-Schaltung essenziell. Deshalb muss in Graphen künstlich eine Bandlücke geschaffen werden. Das könnte durch eine Verformung der Schicht wie bei einem Wellblechdach gelingen. Forscher der GeorgiaTech in Atlanta haben es bereits vorgemacht.

Zu hoffen ist es, dass die Entwicklung gut vorangeht. Die EU glaubt jedenfalls an den Erfolg des Graphens und fördert in den kommenden 10 Jahren Forschungsprojekte mit 1 Milliarde Euro. Mit den ultradünnen Kohlenstoffschichten könnten nämlich noch weitere superbe Produkte hergestellt werden. Die Elastizität von Graphen würde zum Beispiel flexible OLED-Displays ermöglichen. Da es zusätzlich auch noch quasi-durchsichtig ist, liessen sich damit auch robuste und höchst akkurate Membranen für Kopfhörer herstellen – perfekte Klangwiedergabe garantiert. Auch Festplatten auf Graphenbasis werden denkbar, sobald die ersten Serien-CPUs entwickelt sind. Jene wären noch wesentlich schneller und effizienter als die besten SSD-Speicher auf Siliziumbasis.

 

Oberstes Bild: © AlexanderAIUS / Wikimedia / CC