Nanotechnologie für Dummies

Richard D. Booker, Earl Boysen

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2015
• ISBN:
  9783527801893
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Nanotechnologie & MEMS

Ob in der Chemie, Physik, Biologie, Medizin, Pharmazie oder den Materialwissenschaften: Die Nanotechnologie ist überall vertreten und gilt als Forschungsfeld der Zukunft. Schon heute verstecken sich in unserem Alltag viele nanotechnologische Anwendungen und ihre Zahl wächst ständig. Dank »Nanotechnologie für Dummies« erfahren Sie, wie Nanomaterialien erforscht und genutzt werden, welche Anwendungen in Zukunft möglich sein könnten und wie sogar die Umwelt von der Nanotechnologie profitieren kann. Die Autoren erläutern dabei alles leicht verständlich und lassen auch mögliche Risiken nicht außen vor. So lernen Sie alles, was Sie über dieses Trendthema wissen sollten.

Teil II

Anwendungen der Nanotechnologie

In diesem Teil . . .

Die Nanotechnologie ist eine Naturwissenschaft, deren Anwendungen in nahezu allen Bereichen des Lebens eine Rolle spielen. Das reicht vom Gesundheitswesen und Herstellungsprozessen über die Raumfahrt bis zur Verbesserung unserer Umwelt. Sich über die Fortschritte auf dem Laufenden zu halten, ist eine Herausforderung bei einem Thema, das so viele Gebiete betrifft. Doch ohne zu verstehen, wie die Nanotechnologie verwendet und eingesetzt wird, ist es schwierig, das mögliche Ausmaß der Auswirkung auf Ihr Leben zu verstehen.

In diesem Teil erklären wir, was heutzutage im Bereich der Nanotechnologie in den verschiedenen Industrien und Ländern verwirklicht und entwickelt wurde oder sich in Planung befindet. Wenn wir an Anwendungen wie die Umkehrung des Alterns und eine fortschrittliche Raumfahrt denken, wetten wir, dass Sie bei den aufregenden Möglichkeiten, die wir in den Kapiteln dieses Teils vorstellen, etwas außer Atem geraten werden.

6

Elektronik im Nanometermaßstab

In diesem Kapitel

Entwicklung von kleineren und effizienteren Computerchips

Die Speicherung verbessern

Verbindungen durch Licht erzeugen

Herstellung von gestochen scharfen Displays

Mit der Nanotechnologie die Elektronik empfindlicher machen

Die Nanotechnologie wird in den nächsten Jahren bei der Verbesserung von Laptops und anderen elektronischen Geräten eine Schlüsselrolle spielen. Wer weiß schon, was der Laptop von morgen sein wird? Er könnte ein Gewicht von ungefähr zehn Gramm haben und wochenlang ohne Aufladen arbeiten. Stellen Sie sich vor, Sie beeindrucken Ihre Freunde mit einem Laptop, der eine Anzeige enthält, die sich wie ein Segel ausfaltet, und ein Gehäuse, das in jeder Farbe des Regenbogens erscheint. Irgendwann werden Computerchips so leistungsstark sein, dass ein Gerät die Größe Ihres Handys oder auch Ihrer Armbanduhr haben wird und dabei die gleiche Leistung wie die heute leistungsstärksten Tischcomputer erbringt.

Die Nanoelektronik umfasst elektrische Bauteile, die Komponenten enthalten, deren Strukturen eine Größe von weniger als 100 Nanometern aufweisen. Die Nanotechnologie bietet viele Vorteile, wozu bessere Computerchips, verbesserte Speicherfähigkeiten, verbesserte Anzeigen und Nanosensoren gehören. All diese Themen werden in diesem Kapitel erläutert.

Mit Computerchips arbeiten

Einer der Autoren dieses Buch, der 13 Jahre bei Intel gearbeitet hat, kann Ihnen versichern, dass die Halbleiterindustrie schon seit Jahren mit der Nanotechnologie arbeitet. Sie verwenden Instrumente und Prozesses, um Strukturen im Nanometermaßstab in Siliziumwafer zu ätzen. Diese Strukturen bilden die Schaltkreise auf den Chips, mit denen Ihr Computer Daten verarbeitet.

Das Verfahren zur Herstellung dieser Strukturen heißt Nanolithografie; es wird auch in Kapitel 4 vorgestellt.

Die Hersteller von Mikroprozessoren verwenden die Nanolithografie, um Prozessoren mit Transistoren im Nanometermaßstab zu bauen, sodass sie weniger Leistung benötigen und mehr von ihnen auf einen Siliziumchip passen. Auf diese Weise werden die Computer leistungsfähiger.

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie Verbesserungen in der Nanolithografie und Änderungen der Transistorstrukturen im Nanometermaßstab die Dichte der Transistoren in Mikroprozessoren und damit deren Leistungsfähigkeit erhöhen.

Bei Mikroprozessoren mit einer minimalen Strukturgröße von 32 Nanometern befinden sich 995 Millionen Transistoren auf einem Computerchip. Die heutigen Mikroprozessoren unterscheiden sich deutlich von denen aus den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts, die eine minimale Strukturgröße von zehn Mikrometern (ein Mikrometer ist tausendmal größer als ein Nanometer) und 3.500 Transistoren besaßen. Die heutige Generation von Mikroprozessoren wird mit Transistoren mit einer Gate-Länge von 32 Nanometern gebaut und Prozessoren mit Transistoren, die eine Gate-Länge von 22 Nanometern besitzen, sollten schon bald verfügbar sein, wenn sich das Rennen um die steigenden Fähigkeiten Ihres Laptops weiter so fortsetzt.

Kleinere Chips herstellen

Lithografie ähnelt der Fotografie, bei der ein Muster auf einem Fotolack belichtet wird und der Fotolack dann mit Chemikalien entwickelt wird. Beim Entwicklungsprozess wird der unbelichtete Fotolack aufgelöst, wenn er positiv ist; bei negativem Fotolack werden die belichteten Bereiche aufgelöst. Am Ende bleibt der Fotolack in der gewünschten Struktur auf der Oberfläche des Wafers zurück.

Um die minimale Strukturgröße, die mit der Nanolithografie erzeugt werden kann, weiter zu verkleinern, können die Hersteller von Computerchips folgende Maßnahmen ergreifen:

Die Anzahl der Transistoren, die ein Mikroprozessor enthält, kann vergrößert werden, sodass sich die Leistungsfähigkeit des Computers verbessert.

Die Größe eines Computerchips kann bei gleichbleibender Anzahl der Transistoren verringert werden, sodass sich die Herstellungskosten ebenfalls verringern.

Es gibt jedoch einige Beschränkungen bei der Frage, welche minimale Größe eine mit der »Top-down«-Methode hergestellte Struktur annehmen kann. Wenn Forscher weiterhin innovative Wege finden, die minimale Strukturgröße immer weiter zu verkleinern und so die Anzahl der Transistoren pro Chip zu erhöhen, so werden sie irgendwann an eine Grenze stoßen. An einem gewissen Punkt unterhalb einer Strukturgröße von zehn Nanometern wird es wahrscheinlich nötig sein, anstatt mit der »Top-down«-Methode Silizium zu ätzen, Nanopartikel der gewünschten Größe zur Herstellung dieser minimalen Strukturen zu verwenden. Es kann sogar nötig sein, »Bottom-up«-Methoden zur Herstellung von Teilen oder des gesamten integrierten Schaltkreises aus einzelnen Atomen oder Molekülen zu verwenden.

Die Unterschiede zwischen »Top-down«- und »Bottom-up«-Methoden in der Nanotechnologie werden in Kapitel 1 erläutert.

Dinge mit FETs schalten

Die Verkleinerung von Transistoren ist der Schlüssel bei dem Vorhaben, Computer leistungsstärker zu machen. Die in Mikroprozessoren, die Hunderte von Millionen Transistoren in einem integrierten Schaltkreis enthalten, verwendete Art von Transistoren, wird Feldeffekttransistor (FET) genannt. Abbildung 6.1 zeigt eine schematische Darstellung eines FETs.

Abbildung 6.1: Die Struktur eines FETs

Wenn man an das Gate (»Tor«) eine Spannung anlegt, kann durch den Kanal zwischen Source (»Quelle«) und Drain (»Abfluss«) ein Strom fließen. Demzufolge wirkt der Transistor wie ein Schalter, er hat also Ähnlichkeit mit einem Wandschalter, den Sie zum Ein- und Ausschalten von Licht verwenden. Wenn eine Spannung – also ein elektrisches Feld – am Gate anliegt, fließt Strom; er fließt nicht, wenn keine Spannung am Gate anliegt. Mit dem elektrischen Feld wird also ein Kanal geöffnet oder geschlossen. Daher rührt der Name Feldeffekttransistor. Wenn die Länge des Kanals kleiner wird, steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass auch ohne Spannung ein Leckstrom durch den Kanal zwischen Source und Drain fließt.

Die Hersteller integrierter Schaltkreise planen, diese Struktur für minimale Größen von 14 Nanometern oder weniger derart zu verändern, dass die Leckströme im Kanal verringert werden. Dieser veränderte Transistor, der aufgrund der flossenartigen Form (englisch fin) des Kanals FinFET genannt wird, ist in Abbildung 6.2 dargestellt.

Abbildung 6.2: Die Struktur eines FinFETs

Weil sich das Gate sowohl oberhalb als auch an beiden Seiten des Kanals befindet, hat die am Gate anliegende Spannung eine größere Wirkung auf den Kanal als bei einem herkömmlichen FET, bei dem sich das Gate nur oberhalb des Kanals befindet. Forscher berichten, dass sich bei diesem Aufbau der Leckstrom im Kanal im Vergleich zu einem herkömmlichen FET verringert, wenn man den Transistor ausschaltet.

Kurz vor Abschluss dieses Buches hat Intel angekündigt, dass sie eine Tri-Gate genannte FinFET-Struktur in ihren 22-Nanometer-Prozessoren verwenden. Diese Transistoren werden entweder einen verringerten Leistungsverbrauch bei der gleichen Geschwindigkeit wie die der derzeitigen 32-Nanometer-Mikroprozessoren oder eine größere Geschwindigkeit beim gleichen Leistungsverbrauch zur Folge haben.

Derzeit wird Nanodraht als Kanal eines FETs wird untersucht, um Fortschritte bei der Verringerung von Leckströmen zu machen. Diese Art von Transistor besteht aus einem Nanodraht aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, der Source und Drain verbindet; dabei kontrolliert das Gate den Stromfluss durch den Nanodraht. Abbildung 6.3 zeigt die schematische Darstellung eines Nanodraht-Transistors. Der Draht verläuft wie eine Finne vertikal und zeigt vom Substrat aus aufwärts.

Abbildung 6.3: Schematische Darstellung eines vertikalen Nanodraht-FETs

Ein Nanodraht als Kanal erlaubt es, das Gate vollständig um den Kanal herumzuwickeln. Das sollte der am Gate anliegenden Spannung eine bessere Kontrolle des Kanals als bei einem FinFET ermöglichen (siehe Abbildung 6.2). Diese vertikale Anordnung spart außerdem Platz, was eine größere Dichte von Transistoren auf einem Chip ermöglicht. Millionen oder Milliarden Nanodrähte könnten auf einem Substrat aufwachsen, sodass ein dichter, aber winziger Wald entsteht.

Mit der Mechanosynthese auf atomaren Niveau arbeiten

Die in Kapitel 5 ausfü...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Schummelseite
• Titelei
• Inhaltsverzeichnis
• Widmung
• Über die Autoren
• Einleitung
• Teil I Grundlagen der Nanotechnologie
• Teil II Anwendungen der Nanotechnologie
• Teil III Die Nanotechnologie und die Menschen
• Teil IV Der Top-Ten-Teil
• Stichwortverzeichnis
• Glossar
• End User License Agreement