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Germaniumphosphid 2D-Material könnte Computerchips noch kleiner und schneller machen

| Redakteur: Rebecca Vogt

Kleiner und leistungsfähiger sollen sie sein. Vor dieser Herausforderung steht jede neue Generation von Hightechprodukten. Für den technischen Fortschritt bedarf es immer wieder neuer Materialien mit neuen Eigenschaften. Wissenschaftler der Universität Leipzig forschen hierfür an einem zweidimensionalen Stoff – mit vielversprechenden Erkenntnissen für Computerchips wie Solarzellen.

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Germaniumphosphid könnte Computer noch schneller machen.
Germaniumphosphid könnte Computer noch schneller machen.
(Bild: CC0 Public Domain)

Bei der Suche nach zukunftsträchtigen Materialien waren die Wissenschaftler des Leipziger Wilhelm-Ostwald-Instituts für physikalische und theoretische Chemie nun die ersten, die die Eigenschaften des Stoffes Germaniumphosphid, eines sogenannten zweidimensionalen Materials, untersucht haben. „Nach der Entdeckung des zweidimensionalen Materials Graphen galt Phosphoren in der Mikroelektronik als das neue Wundermaterial, denn es hat fantastische elektronische Eigenschaften. Jedoch hat es ein Problem. Es ist an der Luft nicht stabil, sodass es sich nur sehr schwer als Werkstoff handhaben lässt“, erklärt Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie der Universität Leipzig. Heine und sein Team kamen daher auf die Idee, den reaktiven Phosphor durch Zugabe des Elements Germanium zu stabilisieren.

Sehr gute elektronische Eigenschaften und chemische Stabilität

Germaniumphosphid sei bereits in den 1970er Jahren das erste Mal hergestellt worden. Damals habe man den Stoff aber als uninteressant erachtet und wieder aus den Augen verloren. Die Wissenschaftler um Heine meinen, nun die ersten gewesen zu sein, die erkannt haben, welches Potenzial in diesem Material, insbesondere in seiner zweidimensionalen Version, steckt. „Es hat nicht nur sehr gute elektronische Eigenschaften, sondern ist zudem auch noch chemisch stabil.“ Dadurch sei es deutlich einfacher nutzbar und wesentlich leichter herzustellen als Phosphoren.

2D-Materialien sind kristalline Substanzen, die eine Dicke von nur einer oder wenigen Atomlagen haben. „Dünner geht nicht“, betont Heine. Aufeinandergestapelt ergeben sie sogenannte Schichtmaterialien, deren Eigenschaften sich meist deutlich von denen der 2D-Kristalle unterscheiden. Vor 13 Jahren wurde mit dem Graphen das erste Mal ein 2D-Material gewonnen, für das die Physiker Novoselov und Geim später den Nobelpreis erhielten. Seitdem hat sich eine Suche nach weiteren 2D-Materialien und ihren ungewöhnlichen Eigenschaften in Gang gesetzt.

Eigenschaften ändern sich mit den Atomlagen

Germaniumphosphid könnte dabei besonders vielversprechend sein. Die Leipziger Chemiker haben nun anhand von Berechnungen herausgefunden, dass dieser Stoff seine Eigenschaften mit der Anzahl seiner Atomlagen ändert: Besteht er aus mehr als drei Schichten, so hat er die Eigenschaften eines Metalls. Als Einzel- oder Doppellage wird die Struktur zu einem Halbleiter.

„Dieser plötzliche Wandel der Eigenschaften hat uns sehr überrascht und eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten. Elektronische Schalter, Transistoren etwa, werden aus Halbleitern gefertigt, die Kontakte sind jedoch metallisch. Mit Germaniumphosphid wird es nun möglich, beide Komponenten aus dem gleichen Material zu fertigen“, erläutert Yu Jing, Erstautorin der zugrundeliegenden Publikation im Fachmagazin Nano Letters.

Preiswerte und weltweit verfügbare Ausgangsstoffe

„Außerdem sind die Ladungsträger in Germaniumphosphid besonders mobil. Das macht es interessant für schnelle elektronische Anwendungen wie Computerchips oder -speicher.“ Zudem verfügt das Material auch über Eigenschaften, die für die Produktion kostengünstiger Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad wichtig sind. Die dafür notwendigen Ausgangsstoffe, Germanium und Phosphor, seien preiswert und weltweit nahezu überall verfügbar.

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