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Um Graphen ist es beinahe etwas still geworden. Dafür hört man verstärkt vom Phosphor, dem „Licht tragenden“ Element. Auch aus ihm lassen sich atomdünne Halbleitermaterialien für Transistoren gewinnen. Und das in mancherlei Hinsicht besser als mit Graphen.

Seit vielen Jahrzehnten ist Silizium die Basis moderner Elektronik. Doch die Abmessungen von Silizium-Transistoren stoßen langsam an ihre physikalischen Grenzen. Dazu kommt, dass das wichtigste Halbleiter-Bauelement effizienter arbeitet, wenn es sehr dünn sind. Und nichts ist dünner als eine einzelne Schicht von Atomen.

So wurde auch mit dem Nobelpreis 2010 das nur eine Atomlage dicke Graphen über Nacht zum Siliziumnachfolger Nummer eins. Doch es gibt starke Konkurrenz. Einer der aussichtsreichsten Kandidaten ist schwarzer Phosphor, der stabile Bruder des überaus reaktionsfreudigen weißen Phosphors. Auf Grund seiner Kristallstruktur läßt er sich ebenso in atomdünne Schichten zerlegen. Analog zum Graphen nennt man diese Form Phosphoren. Aber anders als Graphen, besitzt es eine sogenannte direkte Bandlücke. Wovon besonders optoelektronische Anwendungen profitieren.

Drei Milliarden Bits pro Sekunde

Das bewiesen erst vor drei Monaten Materialforscher des Minnesota College of Science and Engineering. Sie erfassten High-Speed-Daten aus einer Glasfaser mit einem Phosphor-Detektor und erreichten Datenübertragungsraten von bis zu 3 Gigabits pro Sekunde. Damit könnte man einen kompletten HD-Film in 30 Sekunden herunterladen.

Neben „optischen“ Anwendungen bietet sich schwarzer Phosphor aber auch für Nanotransistoren an. Schließlich verhält es sich wie ein natürlicher Halbleiter, während das elektronische Verhalten von Graphen dem von Metallen ähnelt.

„Schmutziger“, schwarzer Phosphor

Bislang fehlte jedoch für die „schlanken“ Phosphorschichten ein ähnlich „schlanker“ Herstellungsprozess. Einen Vorschlag dazu machten nun Anfang des Jahres Wissenschaftler vom Trinity College in Dublin. Anstatt atomare Schichten aufwändig einzeln abzuheben, trennten sie mit starken Schallwellen den Phosphorkristall in wenige Atome dicke Schichten.

Außerdem zeigten sie, dass sich der elektrische Widerstand durch geringste Mengen Ammoniaks stark erhöhte. Eine Eigenschaft, die möglicherweise für den Bau von hochempfindlichen Sensoren ausgenutzt werden könnte.

Wissenschaftler von der TU München, der Universität Regensburg sowie den amerikanischen Universitäten von Southern California (USC) und Yale vermählten schwarzen Phosphor stattdessen mit Arsen, um daraus Feldeffekttransistoren zu bauen. Die neue Methode kommt ohne den sonst üblichen hohen Druck bei der Herstellung von schwarzem Phosphor aus. Das spart Energie und ist billiger. Über den Arsengehalt kann zudem die Bandlücke präzise eingestellt werden. Das erlaubt es, Materialien mit bisher unerreichbaren elektronischen und optischen Eigenschaften herzustellen.

Den Forschern nach haben 2D-Versionen des schwarzen Phosphors gute Chancen in der allerdings nicht allzu nahen Zukunft Silizium in einigen Bereichen der Elektronik abzulösen – nicht zuletzt auch aufgrund der niedrigen Kosten des Materials.

 

TU München Schwarzer Phosphor

Kristalle aus halbleitendem, schwarzen Arsen-Phosphor bilden möglicherweise das Ausgangsmaterial für zukünftige Transistoren, Sensoren oder mechanisch-flexiblen Halbleiter-Bauteile. (Foto: Andreas Battenberg / TU München)