Bildschirm aus dem Röhrenteppich

Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhren machen Ingenieuren bislang mehr Probleme als erwartet. Forscher aus Kalifornien haben nun einen einfachen Weg gefunden, aus relativ unreinen Nanotubes große Anordnungen von Transistoren zu produzieren, die sich für Displays eignen.

Seit 1998 der erste Transistor mit einer Kohlenstoff-Nanoröhre vorgestellt wurde, gilt das Material als Hoffnungsträger der Nanoelektronik von morgen. Denn es könnte zu kleineren Schaltkreisen auch auf biegsamen Materialien verarbeitet werden – vorausgesetzt, dass man sie auf einfachem Wege in größeren Stückzahlen fertigen kann. Genau das erwies sich bislang aber als äußerst mühsam. Nun haben Forscher der University of Southern California (USC) einen Weg gefunden, aus relativ unreinen Nanoröhren große Anordnungen von Transistoren zu produzieren, die sich für Displays eignen.

In Computerbildschirmen oder Flachbildfernsehern von heute wird jedes Pixel von mehreren Silizium-Transistoren gesteuert. Deren Herstellung benötige allerdings hohe Temperaturen und Vakuumkammern, was sie sehr teuer mache, sagt Chongwu Zhou, Elektroingenieur an der USC. Deshalb nahm sich seine Gruppe Kohlenstoff-Nanoröhren als Alternative vor. Denn die sind bei einer bestimmten Ausrichtung der Sechsecke, zu denen ihre Kohlenstoffatome angeordnet sind, Halbleiter.

Bislang seien immer nur einzelne Nanotubes zu Hochleistungstransistoren verarbeitet worden. Für Bildschirme müsste man aber große Flächen mit den Schaltelementen versehen. „Wenn wir eine Nanoröhre pro Transistor nehmen, wird uns das nicht gelingen“, sagt Zhou.

Seine Gruppe setzt auf einen Prozess, der mit chemischen Lösungen arbeitet und bei Zimmertemperatur funktioniert. Zunächst wird eine Siliziumscheibe mit einem Stoff beschichtet, der im nächsten Arbeitsgang halbleitende Nanotubes aus einer Lösung herauszieht und bindet. Die Scheibe ist danach von einem dichten Teppich aus Nanoröhren bedeckt.

Um dieses Durcheinander in funktionsfähige Transistoren zu verwandeln, bringen die USC-Forscher an verschiedenen Stellen metallische Elektroden auf. Sie legen fest, wo sich Transistoren befinden sollen, sie transportieren Elektronen in die Nanoröhren hinein und leiten sie wieder ab. Der Silizium-Untergrund dient dabei als Gatterelektrode, die den Durchfluss eines Transistors schaltet.

Der Prototyp, den Zhous Team so angefertigt hat, ist etwa zehn mal zehn Zentimeter groß. Damit können die Ingenieure bereits ein einfaches Display aus organischen Leuchtdioden (OLEDs) steuern, wie sie im Wissenschaftsjournal Nano Letters schreiben.

Zwar haben auch andere Gruppen versucht, Nanotube-Transistoren mit Hilfe von chemischen Lösungen herzustellen. Allerdings verwendeten viele ein Gemisch aus elektrisch leitenden und halbleitenden Röhren (bei etwa zwei Dritteln der möglichen Kohlenstoffgeometrien sind Nanotubes elektrisch leitend), was die Leistungsfähigkeit verringerte. IBM-Forschern gelang es im vergangenen Jahr, ausschließlich halbleitende Röhrchen zu geordneten Reihen auszurichten, was ihre elektrischen Eigenschaften gleich verbesserte.

Die USC-Gruppe habe es nun geschafft, auch ohne Ausrichtung aus einer Mischung aus 95 Prozent halbleitenden und 5 Prozent leitenden Nanotubes genug Leistung herauszuholen, um damit ein Display zu steuern, betont Zhou.

„Zum ersten Mal hat jemand gezeigt, dass man mittels Lösungsablagerung einigermaßen aufgereinigte halbleitende Nanoröhren zu qualitativ hochwertigen Transistoren verarbeiten kann“, stimmt John Rogers, Werkstoffwissenschaftler an der Universität von Illinois, zu. „Sie haben mehrere Ansätze zu einem vielversprechenden Herstellungsverfahren zusammengebracht.“

Zhou will mit dem Verfahren als nächstes ein biegsames und transparentes OLED-Display produzieren, das man zum Beispiel zusammengerollt in eine Tasche stecken könnte. Dafür soll die Siliziumscheibe als Untergrund durch eine Folie aus elektrisch leitendem Kunststoff ersetzt werden. Die bislang noch steifen Metallelektroden will Zhou aus Indium-Zinn-Oxid fertigen, das als flexibles, transparentes Elektrodenmaterial weit verbreitet ist.

In der ersten Version werden die Nanotube-Schaltkreise mit den Leuchtdioden noch verdrahtet sein. Später soll das Verfahren so weiterentwickelt werden, dass die organischen Dioden direkt auf den Schaltkreisen aufgebaut werden können.

Für eine kommerzielle Umsetzung dürfte es genug Interessenten geben. Neben IBM experimentiert etwa der koreanische Hersteller LG mit Nanoröhren-Elektronik. Das größte Problem sei bislang gewesen, dass noch nicht ausreichend halbleitende Kohlenstoffnanoröhren produziert werden, sagt Mark Hersam von der Northwestern University in Chicago. Sein 2006 gegründetes Start-up NanoIntegris stellt das Material mit einem neuen, einfacheren Verfahren her und beliefert unter anderem Zhous Gruppe und IBM. Wenn die Produktionsmengen steigen, sei es nur eine Frage der Zeit, bis das erste Nanotube-basierte Produkt auf den Markt komme, ist sich Hersam sicher. (nbo)