Nanotechnik

ist eine weitere Verkleinerung der jetzt schon bestehenden Microelektronik. Während die Microelektronik wahrscheinlich in 20 Jahren ihre Grenze erreicht hat, wird die Nanoelektronik der Nachfolger der Microelektronik sein. Bei der Microelektronik bestehen die Bauteile noch aus Atomen, während bei der Nanoelektronik Atome selbst die Bauelemente bilden.

Wozu ist Nanotechnik gut?

Elektronische Schaltungen realisieren verschiedene Funktionen zur Informationsverarbeitung, wie z. B. die Verstärkung von schwachen Signalen auf ein verwertbares Niveau oder die Erzeugung von Radiowellen und zur Informationsgewinnung. Außerdem werden Steuerungsfunktionen und logische Operationen, wie z. B. elektronischen Abläufe in einem Computer, durch elektronische Schaltungen verwirklicht. Jedoch braucht man für all diese Funktionen bestimmte Bauelemente, welche natürlich Platz wegnehmen, der auch nicht unbegrenzt zur Verfügung steht. Durch die Nanotechnik kann man aber viele Bauelemente auf kleinstem Raum vereinigen. Dadurch erhöht man die Leistungsfähigkeit des Endproduktes um ein Vielfaches oder man kann elektronische Bauteile an schwer zugänglichen Orten nutzen. Der Mensch zum Beispiel: Heutige künstliche (mechanische und elektronische) Organe wie Niere oder Herz, die heutzutage meist noch zu groß sind um sie vollständig in den Körper zu verlegen können auf kleinster Ebene nachgebaut werden und so vollständig in den Körper verpflanzt. Oder Nanoroboter die Krankheitserreger im Blut erkennen und angreifen.

Das sind nur einige Möglichkeiten der Nanotechnologie.

Geschichte-von der Vakuumröhre über Transistoren bis in die Zukunft

Die Erfindung der Vakuumröhren Anfang des 20. Jahrhunderts bildete praktisch den Startpunkt des schnellen Wachstums der modernen Elektronik. Erst Vakuumröhren ermöglichten die Manipulation von Signalen, was mit den frühen Telegraphen- und Telefonschaltungen oder den ersten Sendern noch nicht möglich war. Letztere verwendeten Hochspannungsfunken zur Erzeugung von Radiowellen. Mit Vakuumröhren konnten beispielsweise schwache Funk- und Audiosignale verstärkt werden, und Audiosignale wie Musik und Stimmen konnten auf Funkwellen übertragen werden. Die Entwicklung einer großen Vielfalt verschiedener Röhren für ganz spezielle Aufgaben sorgte für den raschen Fortschritt in der Kommunikationstechnik vor dem 2. Weltkrieg und die Erstellung der ersten Computer während und kurz nach dem Krieg.

Der Transistor wurde 1948 erfunden und hat inzwischen die Vakuumröhre aus den meisten Anwendungsgebieten verdrängt. Mit seiner Zusammensetzung aus Halbleitermaterialien und elektrischen Kontakten übernimmt ein Transistor die gleichen Funktionen wie die Vakuumröhre, allerdings zu erheblich niedrigeren Kosten, mit geringerem Gewicht und Stromverbrauch, aber einer größeren Zuverlässigkeit. Weitere Fortschritte in der Halbleitertechnik, besonders die Leistungen in der Weltraumforschung, führten zur Entwicklung des integrierten Schaltkreises. Integrierte Schaltkreise können auf einem kleinen Stück speziellen Materials mehrere hunderttausend Transistoren enthalten und ermöglichen so die Konstruktion komplexer elektronischer Schaltungen, die in vielen Bereichen eingesetzt werden. Transistoren werden immer kleiner. So ist ein heutiger Transistor circa vier Quadratmillimeter groß. Und aller zwei Jahre kommt ein neues Bauelement auf den Markt das doppelt so gut wie der Vorgänger ist und dabei nur halb soviel kostet. Und es geht sicher noch lange so weiter. Doch irgendwann ist bei "normalen" Bauteilen eine physikalische Grenze erreicht. Es geht nicht mehr kleiner. Also muß man auf kleinere Grundelemente zurückgreifen. Ab hier setzt dann die Nanotechnik ein.

Schon heute wird Forschungsaufwand für die Nanotechnik und -elektronik betrieben. Nanomodule könnten das Anwendungsspektrum der heutigen Transistoren erweitern. Nicht nur die Leistungsfähigkeit, sondern auch die benötigten Kapazitäten der Nanomodule wirkten sich positiv auf Quantität und den Preis aus. Doch wird es wahrscheinlich noch lange dauern, bis solche Nanomodule funktionieren, geschweige denn marktbereit sind.

Elektronische Bauteile

Elektronische Schaltungen bestehen aus miteinander verbundenen elektronischen Bauteilen. Diese Bauteile werden in zwei Kategorien unterteilt: in aktive und passive Bauteile. Die Kategorie der passiven Bauteile umfasst Widerstände, Kondensatoren und Spulen. Als aktiv werden Batterien, Generatoren und Schaltelemente (Vakuumröhren, Transistoren, Nanomodule) bezeichnet.

Während bei Transistoren noch dotiertes Silicium oder Germanium benötigt wird und die Bauelemente hintereinander auf sogenannten integrierten Schaltkreisen zusammengebaut werden, könnte man bei der Nanotechnik einfach nur die Oberfläche eines Materials nehmen und diese auf atomarer Ebene abtasten. Oder einen Stoff umstrukturieren bzw. instabil machen, so dass er leicht formbar wird. Es gibt viele Möglichkeiten zur Anwendung der Nanotechnik, einige werden stärker erforscht andere weniger stark. Sicher ist das Bauteile auf atomarer Ebene zuverlässiger und vor allem weniger anfällig für Störungen wegen ihrer geringen Größe sind.

Andere neuere Entwicklungen

Die Entwicklung integrierter Schaltkreise hat die Bereiche Kommunikation, Informations-verarbeitung und Computertechnik revolutioniert. Integrierte Schaltkreise reduzieren die Ausmaße einzelner Geräte, ermöglichen niedrigere Herstellungs- und Systemkosten und bieten andererseits hohe Geschwindigkeiten und eine größere Zuverlässigkeit. Digitaluhren, tragbare Computer und elektronische Spiele sind mikroprozessorgesteuerte Systeme. Andere Entwicklungen umfassen die Digitalisierung von Audiosignalen, wobei die Frequenz und Amplitude eines Audiosignals mit geeigneten Sample-Techniken digital codiert werden. Digital aufgezeichnete Musik, wie auf einer CD, bietet eine Klangtreue, die mit direkten Aufzeichnungsverfahren nicht möglich ist.

Die medizinische Elektronik hat sich von der Computeraxial-Tomographie (Radiologie) und dem Einsatz von CAT- (Computer Aided Tomographie: computergestütze Tomographie) und CT-(Computertomographie-)Scannern (Röntgenstrahlen) zu sehr leistungsfähigen Systemen weiterentwickelt. Durch ihren Einsatz lassen sich immer mehr Organe des Körpers geeignet behandeln. Geräte zur Betrachtung von Blutgefäßen und des Atmungssystems sind ebenfalls Bestandteil der modernen Medizin.

Die heutige Forschung, mit dem Ziel, die Geschwindigkeit und Kapazität der Computer zu steigern, konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Technologie von integrierten Schaltkreisen und die Entwicklung von noch schneller schaltenden Bauteilen. Auf ultrahochintegrierten Schaltungen (VLSI) befinden sich mehrere hunderttausend Bauteile auf einem Chip. In Hochgeschwindigkeitscomputern werden Halbleiter durch supraleitende Schaltungen ersetzt. Diese Schaltungen enthalten Josephson-Verbindungen und arbeiten bei Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt.

Martin Wehlan, Hagen Schmoger, Jan Kossick

Inhalt:

Nanotechnik - Einleitung

Wozu ist Nanotechnik gut?

Geschichte - von der Vakuumröhre über   Transistoren bis in die Zukunft

Elektronische Bauteile