Luzerner Wirtschaft 3 2020 inhalt

Industrie 4.0
Simulations-Mikroskop
prüft Transistoren der
Zukunft
Seit der Entdeckung von Graphen stehen zweidimensionale Materialien im Fokus der Materialforschung. Mit ihnen liessen sich
unter anderem winzige, leistungsstarke Transistoren bauen. Forscher der ETH Zürich und der EPF Lausanne haben nun aus 100
möglichen Materialien 13 vielversprechende Kandidaten entdeckt.
Mit zunehmender Miniaturisierung elektronischer Bauelemente
kämpfen Forschende mit unerwünschten Nebeneffekten: Bei
Transistoren im Nanometer-Massstab aus herkömmlichen Materialien
wie Silizium, kann es zu Quanteneffekten kommen, die
die Funktion der Bauteile beeinträchtigen. Zu ihnen zählen zum
Beispiel Leckströme. Das sind Ströme, die auf «Abwegen» fliessen
und nicht über den dafür vorgesehenen Leiter, zwischen
dem Source- und Drain-Kontakt. Deshalb ging man davon aus,
dass das Moore‘sche Gesetz wegen dieser fortschreitenden Miniaturisierung
in naher Zukunft an seine Grenzen stösst. Dieses
Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der integrierten Schaltkreise
pro Flächeneinheit alle 12 bis 18 Monate verdoppelt.
Letztlich bedeutet dies, dass die derzeit hergestellten Transistoren
auf Siliziumbasis - FinFETs genannt und mit denen fast
jeder Supercomputer ausgestattet ist - aufgrund von Quanteneffekten
nicht mehr beliebig kleiner gebaut werden können.
Zweidimensionale Hoffnungsträger
Eine neue Studie Forschender der ETH Zürich und der EPF Lausanne
geht nun aber davon aus, dass dieses Problem mit neuen
zweidimensionalen Materialien überwunden werden könnte.
Das zumindest lassen die von ihnen durchgeführten Simulationen
auf dem Supercomputer «Piz Daint» vermuten.
Die Forschungsgruppe von Mathieu Luisier vom Institut für Integrierte
System (IIS) an der ETH Zürich und Nicola Marzari von der
EPFL nutzten für ihre Simulationen die Forschungsergebnisse,
die Marzari und sein Team 2018 erzielt hatten: Aus einem Pool
von über 100‘000 Materialien extrahierten sie damals mit Hilfe
von aufwendigen Simulationen auf «Piz Daint» 1825 vielversprechende
Komponenten, aus denen zweidimensionale Materiallagen
gewonnen werden könnten – dies 14 Jahre nach der Entdeckung
von Graphen. Dabei wurde sich die Forschung erstmals
bewusst, dass sie zweidimensionale Materialien herstellen kann.
Die Forschenden haben nun von diesen über 1800 Materialien
100 Kandidaten ausgewählt, die aus einer Monoschicht von Atomen
bestehen und sich für den Bau von hochskalierenden Feldeffekttransistoren
(FETs) eignen könnten. Unter dem «ab initio»-
Mikroskop untersuchten sie deren Eigenschaften. Das heisst, sie
haben auf dem CSCS-Supercomputer «Piz Daint» zuerst die Dynamik
der Moleküle, aus denen das Material besteht, einschliesslich
deren Elektronenstruktur, berechnet. Diese Berechnungen
kombinierten sie mit einem sogenannten Quantum Transport
Simulator, um die möglichen Elektronen- oder Loch-Stromflüsse
durch die virtuell erzeugten Transistoren zu simulieren. Der
genutzte Quantum Transport Simulator wurde von Mathieu
Luisier zusammen mit einem weiteren ETH-Forschungsteam
entwickelt. Luisier und sein Team erhielten 2019 für das dem
Simulator zugrundeliegende Verfahren den Gordon-Bell-Preis.
Den optimalen Kandidaten finden
Entscheidend für den Transistor ist, dass die Stromflüsse von
einer oder mehreren Steuerelektroden des Transistors, den
Gate-Kontakten, optimal kontrolliert werden können. Dank der
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