Nanotechnologie ist im Alltag angekommen

Willkommen in der Nano-Welt

Raymond Kleger /

Gestern war Mikro, heute ist Nano. In der Elektronik ist Nanotechnik Standard. Smartphones ohne Prozessoren und Speicher in Nano-Strukturen wären undenkbar. Mit Nanotechnik weisen Oberflächen Schmutz ab, Lebensmittel schmecken intensiver, Sonnencremes wirken besser und in der Medizin eröffnen sich ganz andere Therapien. Das Nano-Zeitalter bietet völlig neue Möglichkeiten – alles ohne Schattenseiten?

An der Fachhochschule fragte uns der Professor der Festigkeitslehre einmal, wie gross der Durchmesser eines Stahlseils sein müsste, wollte man daran die Erde aufhängen. Dabei würde die Erde der gleichen Anziehungskraft ausgesetzt wie wir Erdbewohner erfahren. Das Befestigungsproblem des Seils konnten wir ausblenden. Die Antworten waren ganz unterschiedlich, von ein paar 100 Metern Durchmesser bis zu Hunderten von Kilometern. Die richtige Antwort verblüffte uns aber alle: Das Seil müsste einen grösseren Durchmesser haben als die Erde selbst. Die Erklärung dazu leuchtete sofort ein. Die Masse nimmt in der dritten Potenz des Radius zu, die Zugfestigkeit des Seils hingegen nur quadratisch.

Im Nanobereich ist es umgekehrt. Verkleinert man den Radius einer Kugel in den Nanobereich, nimmt die Oberfläche nur quadratisch ab, das Volumen hingegen kubisch. Diese Tatsache verleiht Materialien im Nanobereich ganz andere Eigenschaften als diese im «gewöhnlichen» Bereich haben. Bei Strukturgrössen unter 100 nm, spricht man von Nanotechnik. Hier spielen Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften eine viel grössere Rolle. Man muss hier quantenphysikalische Effekte berücksichtigen, also Eigenschaften im Atombereich.

Die Natur nutzt schon immer Nanotechnik und in der modernen Technik versucht man zunehmend, die Natur nachzuahmen und Eigenschaften und Effekte bei verschiedensten Anwendungen zu übernehmen. In der Elektronik spielen Oberflächenprobleme zuerst einmal eine untergeordnete Rolle. Doch die Leistungsfähigkeit heutiger Prozessoren und anderer digitaler Bausteine wäre ohne Technik im Nanobereich unmöglich.

Nanotechnik in der Elektronik
Im Jahre 1971 brachte Intel den ersten 4-Bit-Mikroprozessor 4004 auf den Markt (Bild 2). Er verfügte über Strukturgrössen von 10 um, konnte mit maximal 0,75 MHz getaktet werden und verfügte über 0,25 kByte Speicher. Moderne integrierte Schaltungen auf Halbleiterbasis nutzen Transistoren, Kondensatoren, Dioden und Widerstände und anderes im Nanometer-Bereich. Um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, mussten die Strukturen immer kleiner werden.
Bereits 1990 lagen diese bei zirka 1 um, im Jahre 2000 lag man bei 200 nm und heute sind es typisch 15 nm, in Spezialfällen bereits 7 nm. Der Prozessor des iPhone XS, das im September 2018 vorgestellt wurde, nutzt 7-nm-Strukturen. Die belegte Fläche auf dem Siliziumsubstrat reduziert sich quadratisch mit der Strukturgrösse. Der Intel Prozessor 4004 verfügte über rund 2300 Transistoren,  heutige Prozessoren wie der Core i7 von Intel, kommen auf 2,3 Milliarden.
Die Frage stellt sich natürlich, ob dies jetzt so weitergeht? Nicht ganz, denn man stösst zunehmend an physikalische Grenzen. Die Isolationsschichten werden so dünn, dass unkontrollierbare Leckströme fliessen. Die Wärmeentwicklung vermindert sich mit kleiner werdenden Strukturen aber nicht proportional, weil man ja die Taktfrequenz von weniger als 1 MHz  (Prozessor 4004) auf heute typische 3 GHz (Core i7) hochgefahren hat. Es gibt auch zunehmend Probleme, die Wärme abzuführen, wenn diese sich auf eine so kleine Fläche konzentriert. Mehr zu diesem Thema lesen in der aktuellen ET-Ausgabe ab Seite 18.