Extrem schnelle Elektronik kommt in Sichtweite

Vanadiumdioxid könnte Silizium als bisherigen Rohstoff bald ablösen. [...]

Die einzigartigen Eigenschaften von Vanadiumdioxid prädestinieren das Material dazu, Silizium als Rohstoff für elektronische Geräte mit geringer Leistung abzulösen. Ingenieure der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL) in Lausanne haben gezeigt, dass sich Datenübertragungs-Elektronik, die für Weltraumeinsätze bestimmt ist, auf der Basis von Vanadiumdioxid herstellen lässt. Es sei auch als Material für Neuromorphik-Computer und Systeme der Künstlichen Intelligenz geeignet.

Kristall wird zur amorphen Masse

Nach dem Schalter kam der Transistor, erklären die Forscher. Jetzt gebe es eine weitere Innovation, die die Kontrolle über den Elektronenfluss durch einen Schaltkreis revolutionieren könnte. Vanadiumdioxid sei bei Raumtemperatur ein Isolator. Bei einer Temperatur von 68 Grad Celsius wird es zum Stromleiter. Diese Eigenschaft wird in dem EU-Projekt „Phase-Change Switch“ erforscht, unter anderem von den Experten der EPFL.

Die Schweizer Forscher haben herausgefunden, warum die temperaturabhängige Verwandlung von Vanadiumdioxid stattfindet. Bei Raumtemperatur bilden die Moleküle ein Kristallgitter. Steigt die Temperatur, verwandelt es sich in ein amorphes, also ungeordnetes Material. Es nimmt eine metallische Struktur an. Die Umwandlung findet in weniger als einer Milliardstel Sekunde statt. Elektronik auf dieser Materialbasis wäre also unschlagbar schnell.

„Vanadiumdioxid verändert seine Struktur auch bei anderen Einflüssen“, sagt Adrian Ionescu, der das EPFL-Nanolaboratorium leitet. Der Phasenwechsel finde auch statt, wenn eine elektrische Spannung angelegt oder das Material mit Licht einer bestimmten Wellenlänge oder mit Terahertzwellen beaufschlagt werde. Es gibt nur einen Haken: 68 Grad Celsius sind eine zu niedrige Temperatur für elektronische Schaltkreise, die bis zu einer Temperatur von 100 Grad Celsius fehlerlos funktionieren müssen.

Forscher geben Germanium bei

Die Lösung fanden Ionescu und Andreas Schüler von der School of Architecture, Civil and Environmental Engineering. Sie haben eine bestimmte Menge Germanium unter das Vanadiumdioxid gemischt. Das erhöhte die Phasenwechseltemperatur auf 100 Grad Celsius. Der Weg zum Bau von elektronischen Schaltkreisen, die nicht nur extrem schnell arbeiten, sondern auch wenig Strom verbrauchen, ist damit frei.

Am europäischen Phase-Change-Switch-Programm sind neben der EPFL die Unternehmen Thales aus Frankreich, der Schweizer Arm des US-Riesen IBM, die Angewandte Mikro- und Optoelektronik GmbH, die aus der Technischen Hochschule Aachen hervorging sowie die Max-Planck-Gesellschaft und die University of Cambridge beteiligt.