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Bildungslandschaften Nano
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Information und Kommunikation
Technikinnovationen fanden in den vergangenen Jahrzehnten insbesondere im Elektronikbereich statt. Der Halbleitermarkt verfügt derzeit über Zuwachsraten im zweistelligen Bereich, wobei das Zusammenspiel aus Wafertechnologie, Chipdesign, Lithographie und Prozesstechnik eine ständig steigende Leistung der Bauteile bei gleichzeitig fallenden Preisen ermöglicht. Die Nanotechnologie spielt in der zunehmenden Miniaturisierung der Schaltungen eine ständig wachsende Rolle. Moderne Prozessoren werden in der 90 nm Technologie gefertigt, wobei die Gatelängen der Transistoren schon seit geraumer Zeit unterhalb der Grenze von 100 nm liegen. Dadurch konnte die Transistordichte weiter gesteigert werden, die gemäß dem Gesetz von Gordon E. Moore einer Exponentialfunktion genügt und eine Verdopplung der Transistorenzahl etwa alle 18 Monate vorhersagt. Aktuelle Grafikkartenprozessoren bestehen aus über 200 Mio. Transistoren.
Die Zuwächse in der Datenspeicherung auf Festplatten sind noch größer. Hier konnte durch die Nutzung des Riesenmagnetwiderstandes (GMR: Giant Magneto Resistance) in Festplattenleseköpfen die Kapazität drastisch gesteigert werden. Moderne Leseköpfe von Festplatten besitzen einen Schichtstapel aus nanometerdünnen Lagen verschiedener Materialien. Erst dadurch konnte die Kapazität der Festplatten in den Bereich einiger hundert Gigabyte gebracht, bzw. deren Größe stark reduziert werden.
Eine 0,85 inch Festplatte mit einer Kapazität von 4 GB. Bild: Toshiba, www.toshiba.com
Die Leistungssteigerung integrierter Schaltungen erfordert eine zunehmende Verkleinerung der Strukturen in der jeweils nächsten Generation. Hierbei hat sich die Photolithographie in der Vergangenheit sehr bewährt, wobei die verwendete Laserwellenlänge weiter reduziert werden muss. In diesem Prozess dringt man immer tiefer in den Bereich des Ultravioletten vor. Für den Bau refraktiver Optiken bestehen unterhalb der momentan verwendeten Lichtwellenlänge von 193 nm Schwierigkeiten bezüglich eines geeigneten Materials, welches das Licht nicht absorbiert (CaF2). Andere Wege gehen über die Nutzung von Immersionsoptiken unter Beibehaltung der Wellenlänge von 193 nm (genannt 193i), wo die positiven optischen Eigenschaften einer Flüssigkeit zwischen Optik und Wafer für die größere Strukturauflösung genutzt werden. Für die Zukunft wird das extreme UV-Licht mit einer Wellenlänge von 13,6 nm angepeilt (EUVL: Extreme Ultraviolett Lithographie). Für die EUVL müssen dann allerdings ausschließlich reflektive Optiken verwendet werden.
Andere Konzepte zur Strukturierung beruhen auf der Nutzung von Elektronenstrahlen zur Abbildung der Schaltkreisstrukturen (EBL: Electron beam lithography) oder z. B. in der Nutzung von vielfach verwendbaren Stempeln mit denen die Strukturen auf den Wafer gestempelt werden (NIL: Nanoimprint lithography). Für die Herstellung der Stempel wird EBL genutzt.
Einige Konzepte beruhen auf der Nutzung von Quanteneffekte, wie beispielsweise die Spintronic, die außer der Ladung der Elektronen auch ihren Spin berücksichtigt und somit einen weiteren Freiheitsgrad zur Informationsdarstellung und deren Verarbeitung erschließt. Hierbei kann ebenfalls der GMR-Effekt oder der sog. TMR-Effekt (Tunneling Magneto Resistance) - der Tunnelmagnetwiderstand - ausgenutzt werden, um beispielsweise bessere Arbeitsspeicher, wie den MRAM zu bauen. Dieser RAM-Speicher würde das Instant-on eines Computers ermöglichen, da er seine Daten auch ohne Stromzufuhr nicht vergisst.
Andere Konzepte der Nanoelektronik beruhen auf der Nutzung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, den Nanotubes. Diese könnten in der Zukunft für Transistoren, oder aber als sog. Vias Verwendung finden, die die übereinander liegenden Ebenen moderner Chiparchitekturen fast verlustfrei elektrisch leitend miteinander verbinden.
In der Kommunikationstechnologie eröffnen photonische Kristalle völlig neue Möglichkeiten. Photonische Kristalle besitzen eine dem Halbeiter ähnliche Bandstruktur, nur eben für Photonen. Durch Strukturierung dieser Materialien können Bauteile wie Filter, Strahlteiler und Lichtleiter auf einem Chip realisiert werden. Der bisherige diskrete Aufbau optischer Bauteile ist dann nicht mehr nötig.
Quantenpunktlaser ermöglichen im Gegensatz zu den konventionellen Halbeiter-Kantenemittern eine bessere Kontrolle der Lichtwellenlänge und sind auch in punkto Strahlqualität ihren Halbleiterpendants überlegen.
