Aufräumen im Nanotube-Chaos

Seit langem glauben Experten, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen eines Tages das Silizium in der Mikroelektronik ersetzen könnten. Denn mit einem Durchmesser von nur einem Nanometer und einer höheren Leitfähigkeit als Kupfer würden schnellere, kleinere Chips möglich, die weniger Energie verbrauchen. Erste Transistoren aus dem Nano-Material haben Forscher in den letzten Jahren bereits entwickelt.

Allerdings lassen sich daraus nur schwer echte Schaltkreise herstellen: Die Nanotubes tendieren dazu, sich eher chaotisch auszurichten, so dass vorher tatsächlich unklar ist, welche Nanoröhrchen welchen Transistor bilden. Gleichzeitig führen solche Zustände leicht zu elektrischen Problemen wie Kurzschlüssen.

Forscher an der Stanford University wollen dem Problem nun mit Software zu Leibe rücken: Sie haben ein Programm entwickelt, das funktionierende Schaltkreislayouts aus einer chaotischen Nanotube-Menge herauslesen kann. "Es reicht nicht aus, einen einzigen Nanoröhrchen-Transistor zu bauen", erklärt Subhasish Mitra, Juniorprofessor für Elektrotechnik und Informatik, und einer der Leiter des Projekts. Da es aber noch Jahre dauern kann, bis die Chipforschung tatsächlich genau organisierte Nanoröhrchen-Strukturen schaffen können, schuf Mitra mit seinen Kollegen einen Algorithmus, der Strukturen im Chaos suchen soll.

Unterstützt wurde er dabei von H.-S. Philip Wong, Professor für Elektrotechnik in Stanford sowie Chongwu Zhou, Chemieprofessor an der University of Southern California. (Ebenfalls beteiligt waren Nishant Patil und Jie Deng, beide Stanford.)

Digitale Schaltkreise bestehen aus so genannten Logikgattern. Ihr Kern sind Transistoren, die auf verschiedene Arten gruppiert werden und so die unterschiedlichen Gatterarten bilden. Im ersten Schritt suchten die Forscher deshalb in einer bestehenden Nanoröhrchen-Ansammlung nach einem digitalen NAND-Logikgatter mit zwei Eingängen, das aus zwei parallelen Transistoren besteht. Fließt ein Strom durch einen oder beide Transistoren, ist das Gatter "an". Fließt kein Strom, ist es "Aus". Sind die Transistoren jedoch falsch angeordnet, funktioniert die Schaltung nicht – bei Nanoröhrchen keine Seltenheit.

"Selbst wenn Strom durch keinen der Transistoren fließt, kann das Gatter sich einschalten, wenn die Nanoröhrchen falsch ausgerichtet sind", erläutert Mitra. Wolle man dann eine Logikfunktion darstellen, ergäbe sich ein Kurzschluss oder eben eine falsche Antwort. Mitras Algorithmus kann nun aber einen Weg finden, das Layout so zu gestalten, dass es zu keinen Problemen kommt.

Gelöst wird dies durch eine Kombination aus komplexer Netzwerkmathematik und Boolscher Algebra, die verschiedene Regionen in dem Nanoröhrchen-Chaos bestimmen. Je nach gewünschter Funktion auf dem Schaltkreis wird dann ein Design vorgeschlagen, das korrekte und inkorrekte Regionen für die Gatter trennt.

Wenn die Nanoröhrchen bestimmte Regionsgrenzen überschreiten, werden sie chemisch einfach weggeätzt, so dass es nicht zu Kurzschlüssen und Überschneidungen mit anderen Transistoren kommen kann. Schon ist der Prozess generalisiert worden – er funktioniert inzwischen nicht nur mit NAND-Gattern, sondern mit jeder anderen Form von Logik.

Naresh Shanbhag, Professor für Elektrotechnik an der University of Illinois in Urbana-Champaign, glaubt, dass solche neuen Ansätze durchaus verfolgungswert seien: "Nanoröhrchen gelten nach wie vor als möglicher Nachfolger des Silizium. Entsprechende Schaltkreise benötigen solche Techniken, damit sie sich tatsächlich wie gewünscht verhalten."

Der Stanford-Algorithmus löst allerdings nicht alle Probleme mit den Transistoren. Eine normale Nanoröhrchen-Schicht enthält normalerweise einen Anteil von bis zu 30 Prozent, der sich wie ein Metall verhält, also ständig Strom leitet. Grund ist die Ausrichtung der Sechsecke aus Kohlenstoffatomen, die die Hülle von Nanotubes bilden. Diese metallischen Röhrchen sind für Transistoren nicht verwendbar.

Ein anderes Problem: Es ist schwer, die Dichte der Nanoröhrchen zu kontrollieren. Und ohne ausreichende Dichte reicht ihre Anzahl dann schlicht nicht aus, genügend Logikgatter herzustellen.

Tom Theis, Direktor der Abteilung für physikalische Forschung am TJ Watson Research Center von IBM, sieht derzeit jedoch Fortschritte in nahezu allen Bereichen. So arbeite sein Unternehmen an einer Methode, unerwünschte Nanoröhrchen selektiv zu beseitigen – etwa ständig leitende. "Obwohl die Stanford-Studie nicht alle Probleme in der Nanoröhrchen-Elektronik löst, ist sie doch ein interessanter Puzzlestein." (bsc)