Aus einem dunkel glänzenden Stück Grafit, wichtiger Bestandteil von Bleistiftminen, ziehen zwei Physiker mit einem Klebestreifen zunächst mehrere Lagen von Kohlenstoffatomen ab. Sie wiederholen das Prozedere, bis unter dem Mikroskop nur noch eine durchsichtige Schicht übrigbleibt, ein zweidimensionales wabenförmiges Muster. Graphen. Es ist hauchdünn, stabiler als Diamant und leitet Strom und Wärme – und ist damit ein ideales Material für die Elektronik. In der besonderen Gitterstruktur sind die Elektronen extrem mobil, erklärt Oliver Gröning vom Forschungsinstitut Empa in Dübendorf. Ausserdem ist Graphen wandlungsfähig. Je nach Struktur auf Nanoebene lassen sich seine elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften verändern und kontrollieren. «Man kann daraus alles erzeugen, was man in der Elektronik braucht: einen Leiter, einen Isolator, einen Halbleiter», sagt Gröning. «Graphen wird so zur Stammzelle der Elektronik.» Die Empa-Forschenden arbeiten mit mannigfaltig geformten Graphen-Nanobändern, die sie synthetisch herstellen und deren Geometrie sie auf der atomaren Ebene steu-ern können. Auf diese Weise entstand etwa ein Transistor, ein zentrales Bauelement moderner Elektronik. Mit einer Bandlücke, die Graphen eigentlich nicht hat, also eine Energieschwelle, die bestimmt, ob Strom durch den Transistor fliesst oder nicht. «Wir können diese beim Graphen-Transistor nun sogar gezielt einstellen und ihn damit für bestimmte Spannungsbereiche oder spezielle optische Wellenlängen empfindlich machen.» Noch hat Silizium die Nase vorn Aktuell ist in der Elektronik für Chips Silizium das Mass aller Dinge. Laut Gröning hat die Siliziumindustrie bei Prozesstechniken denn auch Jahrzehnte Vorsprung vor Graphen. Es gehe dabei nicht nur um die Bauelemente selbst, sondern auch um Herstellungsverfahren, die die Laboreigenschaften auch im Chip hervorbringen. «Da gibt es ein Valley of Death», so Gröning. Das ist jene Phase, in der sich zeigt, ob eine Idee den Sprung aus dem Labor in die industrielle Fertigung schafft. Dafür braucht es enorme Entwicklungsarbeit und grosse infrastrukturelle und finanzielle Ressourcen. Doch Miniaturisierung und Taktung klassischer Siliziumchips stossen bald an Gren-zen. Gröning hält es daher für wahrscheinlich, dass zunächst einzelne, hochspezialisierte Graphen-Bauelemente in bestehende Schaltkreise integriert werden. Auch Alberto Morpurgo von der Universität Genf denkt: «Graphen könnte helfen, Probleme von Silizium zu lösen, etwa die Wärme von Hochleistungschips effizient abzuleiten, und so eine höhere Taktung erlauben.» Morpurgos Gruppe untersucht beispielsweise Anwendungen der sogenannten Spintronik. Dabei wird der Spin eines Elektrons gezielt manipuliert und als logischer Speicher genutzt; dessen Zustände entsprechen dann 0 und 1. Bauelemente lassen sich damit schnell schalten und stark miniaturisieren. «Wir stehen hier aber noch am Anfang», so der Forscher, der auch am Graphene Flagship der EU beteiligt war. Auf in die Welt der 2D-Materialien! Weiter möglich sind Anwendungen wie Infrarotsensoren. Morpurgo verweist auf das Projekt eines spanischen Start-ups, das eine Infrarotkamera auf Graphenbasis entwickelt hat. «Diese könnte Autos helfen, durch Nebel zu sehen, da Wassertröpfchen sichtbares Licht stark absorbieren, tiefes Infrarot deutlich weniger.» Die Prototypen verwenden einen Siliziumchip mit einer Matrix aus Kontakten, darüber eine Graphenschicht und Halbleiter-Nanostrukturen, die Infrarotlicht absorbieren und Elektronen an das Graphen weitergeben. Jeder Kontakt arbeitet wie ein Pixel in einer Kamera. Morpurgo erwartet, dass in der Elektronik generell zweidimensionale Materialien wichtig werden, neben Graphen etwa hexagonales Bornitrid oder Hybridsysteme aus beiden Materialien. «Graphen hat ein neues Forschungsfeld eröffnet», sagt Morpurgo. «Was einst einzigartig schien, ist heute Teil eines grösseren Territoriums. Graphen hat ein neues Paradigma geschaffen.»
