2D-Materialien für die Datenverarbeitung der nächsten Generation

17.03.2022

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In Nature Communications skizzieren RWTH-Professor Max Lemme und Kollegen die vielversprechendsten Anwendungsbereiche von zweidimensionalen (2D) Materialien.

 

„More Moore“ und „More than Moore“: So bezeichnet werden zwei der wichtigsten Forschungsrichtungen der Halbleiterindustrie. More Moore (mehr Moore) ist ein Ausdruck für die Bemühungen, das „Mooresche Gesetz“ zu verlängern, also das kontinuierliche Streben nach einer Verkleinerung der Transistoren und nach der Integration von mehr, kleineren und schnelleren Transistoren auf jedem Chip des nächsten Produktionsknotens. More than Moore (mehr als Moore) deutet stattdessen auf die Kombination von digitalen und nicht-digitalen Funktionen auf demselben Chip hin, ein Trend, der auch als „CMOS+X“ bekannt ist und der mit dem Aufkommen der 5G-Konnektivität und Anwendungen wie dem Internet der Dinge und dem autonomen Fahren immer wichtiger wird.

Für diese beiden Forschungsrichtungen sind 2D-Materialien eine äußerst vielversprechende Plattform. Ihre ultimative Dünnheit macht sie beispielsweise zu erstklassigen Kandidaten, um Silizium als Kanalmaterial für Nanosheet-Transistoren in zukünftigen Technologieknoten zu ersetzen, was eine fortgesetzte Skalierung der Dimensionen ermöglichen würde. Darüber hinaus lassen sich Bauelemente, die auf 2D-Materialien basieren, prinzipiell gut in die Standard-CMOS-Technologie integrieren und können daher verwendet werden, um die Fähigkeiten von Siliziumchips um zusätzliche Funktionen zu erweitern, wie zum Beispiel bei Sensoren, Photonik oder memristiven Bauelementen für neuromorphes Computing. Dazu haben die RWTH-Wissenschaftler Max C. Lemme und Christoph Stampfer mit Deji Akinwande (University of Texas, Austin, USA) und Cedric Huyghebaert (IMEC, Belgien) nun einen Kommentar in Nature Communications veröffentlicht.

Großes Potenzial

„2D-Materialien haben das Potenzial, der X-Faktor in der zukünftigen integrierten Elektronik zu werden“, sagt Professor Max Lemme, Leiter des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH Aachen und Sprecher des Aachen Graphene & 2D Materials Center. „Ich gehe davon aus, dass sie zunächst in Nischenanwendungen für bestimmte Sensoren auf den Markt kommen werden, da die Anforderungen an die Fertigungstechnologien geringer sein könnten. Aber ich bin auch davon überzeugt, dass 2D-Materialien eine wichtige Rolle in photonischen integrierten Schaltkreisen und in zukünftigen neuromorphen Computeranwendungen spielen werden. Hier befinden wir uns noch im Anfangsstadium, erste Ergebnisse sind jedoch bereits sehr vielversprechend.“

In der Tat wurden bereits mehr als ein Dutzend 2D-Materialien entdeckt, die einen programmierbaren Schaltwiderstand aufweisen – die grundlegende Eigenschaft für den Aufbau von Bauelementen (Memristoren) – mit denen das Verhalten von Synapsen und Neuronen nachgeahmt werden kann. Zwar müssen viele grundlegende Aspekte noch verstanden werden, aber die ersten Memristoren auf der Basis von 2D-Materialien haben eine konkurrenzfähige Leistung sowie eine breite Palette wünschenswerter anderer Funktionen gezeigt, wie zum Beispiel Nicht-Klonbarkeit und Hochfrequenzschaltung für Kommunikationssysteme. Tatsächlich werden solche Memristoren im Cluster4Future-Projekt „NeuroSys“, das im Januar 2022 startete, eingehend untersucht.

Ein weiteres Zukunftsfeld, in dem 2D-Materialien eine wichtige Rolle spielen können, sind Quantentechnologien. „Es gibt konsistente Hinweise darauf, dass 2D-Materialien ein großes Potenzial für das Quantencomputing sowie für die Quantenkommunikation und für neuartige Quantensensorik haben“, sagt Professor Christoph Stampfer, Leiter der „2D Materials and Quantum Devices Group“ an der RWTH Aachen und Mitautor des Kommentars. „Apropos Quantencomputer: 2D-Materialien sind heute acht bis 12 Jahre weiter als andere Plattformen wie Silizium – Spin-Qubits auf der Basis von 2D-Materialien sind zum Beispiel in Reichweite, aber noch nicht demonstriert. Die Flexibilität, die die 2D-Plattform bietet, könnte jedoch mittel- bis langfristig große Vorteile bieten und es ermöglichen, einige der Hindernisse zu überwinden, auf die andere Plattformen stoßen, wie zum Beispiel die Kopplung von Spins mit Photonen."

Der Kommentar wurde als Open Access in Nature Communications veröffentlicht: