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    Institut für Anorganische Chemie

    Halbleiter für coole Computer

    17.07.2009

    Computer, die ohne Kühlung auskommen? Noch gibt es sie nicht. Doch Physiker von der Universität Würzburg bereiten ihnen den Weg: Im US-Wissenschaftsmagazin „Science“ präsentieren sie einen Halbleiter, der elektrischen Strom leitet und dabei nicht warm wird.

    Schema: Mit dieser H-förmigen Struktur haben Physiker der Universität Würzburg nachgewiesen, dass ihr neuartiges Halbleitermaterial elektrischen Strom leitet und dabei nicht warm wird. Grafik: Mathias Mühlbauer
    Mit dieser H-förmigen Struktur haben Physiker der Universität Würzburg nachgewiesen, dass ihr neuartiges Halbleitermaterial elektrischen Strom leitet und dabei nicht warm wird. Im Experiment leiteten sie zum Beispiel durch den unteren Streifen einen elektrischen Strom. In einem „normalen“ Halbleiter oder einem Metall wäre im oberen Streifen keine Auswirkung dieses Stromes zu messen. Doch bei dem Würzburger Material handelt es sich um einen so genannten Quanten-Spin-Hall-Isolator: Der Strom wird darin nur in den rot und blau gekennzeichneten Randkanälen transportiert, wobei sich die Ladungsträger dort ohne Widerstand bewegen, während sich die übrige Struktur wie ein Isolator verhält. Ein von links unten eingeleiteter Stromfluss teilt sich auf die beiden roten und blauen Randkanäle auf. Die Ladungsträger im blauen Kanal gelangen direkt entlang des Randes des unteren Streifens zum anderen Pol der Stromquelle. Die Ladungsträger im roten Kanal werden aber entlang des Randes der Probe in den oberen Streifen geleitet und führen damit zu einem unerwarteten, messbaren Effekt im oberen Streifen. Die Seitenstreifen des H sind rund fünf Mikrometer lang, die Verbindung dazwischen misst circa einen Mikrometer. Grafik: Mathias Mühlbauer

    Der neuartige Halbleiter besteht aus Quecksilber-Tellurid und Quecksilber-Cadmium-Tellurid. In einem ausgeklügelten Verfahren bringen die Würzburger Physiker diese beiden Materialien abwechselnd in hauchzarten Schichten auf pfenniggroße Kristallplättchen auf. „Die einzelnen Lagen sind nur sieben bis zehn Nanometer dünn“, sagt Professor Laurens Molenkamp. Unvorstellbar schlank also: Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters.

    Winzigen Draht modelliert

    Um die Leitfähigkeit des geschichteten Materials zu analysieren, modellierten die Physiker mit lithographischen Techniken aus seiner Oberfläche Strukturen heraus. Sie ließen dort sozusagen winzige Drähte entstehen, beispielsweise in H-Form.

    „Zu erwarten war, dass das Material unter bestimmten Umständen, zum Beispiel bei sehr tiefen Temperaturen, zum Isolator wird. So ist es bei allen herkömmlichen Halbleitern der Fall“, erklärt Professor Hartmut Buhmann, der im Team von Molenkamp arbeitet.

    Material reagierte anders als erwartet

    Überrascht waren die Physiker, als sich ihr Material anders verhielt: Die Elektronen sammelten sich an den Rändern der H-förmigen Struktur. Dort konnten sie sich zudem bewegen – ohne jeglichen Widerstand und damit ohne Wärmeentwicklung. Diese Besonderheit liege einzig und allein in den Materialien und der Art ihrer Schichtung begründet, sagen die Physiker. Die Form der Struktur – ob H oder X – sei belanglos.

    Für Anwendungen noch nicht reif

    Reif für den Alltag ist der neuartige Halbleiter allerdings nicht: Der Effekt tritt nur bei sehr tiefen Temperaturen auf, unterhalb von minus 170 Grad Celsius. Darum wollen die Würzburger Forscher nun andere Materialien entwickeln, die den Effekt bei deutlich höheren Temperaturen zeigen.

    „Wismut-Verbindungen wollen wir dafür nehmen“, sagt Laurens Molenkamp. Doch zuerst gelte es, an einem Verfahren zu tüfteln, mit dem sich auch diese Materialien sauber und hauchdünn aufeinanderschichten lassen.

    Cool bleiben ist wichtig für Computer

    Wenn Computer in Betrieb sind, werden sie warm. Zu hohe Temperaturen aber beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit ihrer Chips – Abkühlung ist also angesagt. Dafür sorgen rotierende Lüftungsrädchen am PC oder Klimaanlagen in großen Rechnerräumen. Sehr leistungsfähige Rechner sind heute schon mit Wasserkühlung ausgestattet.

    Die Wärme ist also ein Faktor, der die Entwicklung schnellerer Computer deutlich begrenzt. Denn um eine größere Leistungsfähigkeit zu erreichen, werden auf die Chips immer mehr Transistoren gepackt, die immer schneller arbeiten müssen. „Dann fließt über die Chips aber auch mehr Strom, und so heizen sich die Bauteile immer stärker auf", erklärt Hartmut Buhmann. Bauelemente, die Strom leiten und dabei keine Wärme produzieren, könnten darum der Weiterentwicklung von Computern einen kräftigen Schub geben.

    Nonlocal Transport in the Quantum Spin Hall State, Andreas Roth, Christoph Brüne, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Joseph Maciejko, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, Science, 17. Juli 2009, Vol. 325, Nr. 5938, Seiten 294-297, DOI: 10.1126/science.1174736

    Kontakt

    Prof. Dr. Laurens Molenkamp, Lehrstuhl für Experimentelle Physik III der Universität Würzburg, T (0931) 888-4925, laurens.molenkamp@physik.uni-wuerzburg.de
    Prof. Dr. Hartmut Buhmann, T (0931) 888-5778, hartmut.buhmann@physik.uni-wuerzburg.de

    Von Robert Emmerich

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