Materialforschern ist es gelungen, Nanoschichten aus schwarzem Phosphor zu kreieren. Damit wird einen neue Ära nanoelektronischer Geräte eingeleitet, so das MIT-Fachmagazin Technology Review.
Phosphor ist ein reaktionsfreudiges Element, das gemeinhin aus Streichhölzern und Düngemitteln bekannt ist. Forschern ist es jedoch gelungen, den Stoff in eine stabile kristalline Form zu bringen, den so genannten schwarzen Phosphor. Für eine neue Studie nutzten Forscher der Universität in Minnesota einen ultradünnen, nur 20 Atome starken Film aus dem Wundermaterial, um Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation auf optischen Nano-Schaltkreisen zu demonstrieren.
Die Wissenschaftler legten dazu dünne schwarze Phosphor-Flocken über komplexe optische Schaltkreise in Silikon-Chips. „Weil die Materialien zweidimensional sind, macht es Sinn, sie auf Chips mit flachen integrierten Schaltkreisen zu legen, um die größtmögliche Interaktion mit Licht zu ermöglichen und so ihre optoelektronischen Eigenschaften optimal zu nutzen“, so der Leiter des Forschungsteams Professor Li in einer Mitteilung.
Bei der Anwendung zeigte das Team die beeindruckende Praxistauglichkeit: Sie schickten optische High-Speed-Daten über Glasfaser und erfassten diese dann mit dem Phosphor-Detektor. Dabei erreichte das Team Datenübertragungsraten von bis zu drei Milliarden Bits oder 3 Gigabits pro Sekunde. Damit könnte man einen kompletten HD-Film in 30 Sekunden herunterladen.
Die Geräte zeigten damit enorme Steigerungen in Sachen Effizienz etwa im Vergleich zu Geräten, die das ähnliche kristalline Wundermaterial Graphen nutzen, so ein Bericht im Fachmagazin Spektrum der Wissenschaft. Das Team konnte zeigen, dass die Leistung der Phosphor-Lichtdetektoren sogar die vergleichbarer Geräte aus Germanium übertraf – das Element, das bisher als Gold-Standard bei der On-Chip-Lichterfassung galt.
Doch die Übertragung mit Phosphorhilfe soll sogar noch schneller gehen: „Auch wenn wir bereits Hochgeschwindigkeitstauglichkeit demonstriert haben, erwarten wir für unsere Geräte noch höhere Übertragungsraten durch weitere Optimierung“, so Nathan Youngblood, der Hauptautor der Studie. „Es muss noch viel Arbeit getan werden, um die theoretischen Grenzen für ein vollständigs optimiertes Gerät überhaupt zu bestimmen.“
Wegen seiner einzigartigen Eigenschaften kann schwarzer Phosphor Licht sehr wirkungsvoll erkennen und ist daher interessant für optische Leitungen. In Glasfaserkabeln werden Signale mit Licht übertragen und sind dadurch ein vielfaches schneller als elektrisch übertragene Signale. Allerdings geht ein Teil des Signals bei langen Leitungen verloren. Phosphor hilft, das ankommende Lichtsignal so umfassend und deutlich wie möglich zu erfassen.
Optische Leitungen werden bisher meist für die Übertragung von Datenverkehr genutzt, sie werden aber auch zunehmend interessant für die Verarbeitung innerhalb der Computer selbst, etwa auf Chips, Festplatten und Prozessoren. Da die Verbraucher elektronische Geräte verlangen, die immer schneller und kleiner sind, stopfen Elektronikhersteller mehrere Prozessorkerne auf einem einzigen Chip, aber alle diese Prozessoren miteinander kommunizieren zu lassen ist eine zentrale Herausforderung für die Forscher. Das Ziel ist es, Materialien zu finden, die Hochgeschwindigkeits-on-Chip-Kommunikation unter Verwendung von Licht erlauben.
Darüber hinaus ist schwarzer Phosphor ein so genannter Direct-Band-Halbleiter, was bedeutet, er hat das Potenzial, um elektrische Signale effizient zurück in Licht umzuwandeln. Zusammen mit seiner hohen Photodetektionsfähigkeit könnte schwarzer Phosphor auch verwendet werden, um Licht in einer optischen Schaltung zu erzeugen, so dass er ein One-Stop-Lösung für optische On-Chip-Kommunikation werden könnte.
„Der Gedanke ist wirklich aufregend, ein einziges Material zu haben, das verwendet werden kann, um Daten optisch zu senden und zu empfangen, und das nicht auf ein bestimmtes Substrat oder eine Wellenlänge beschränkt ist“, so der Forscher Youngblood. „Dies könnte ein großes Potenzial für High-Speed-Kommunikation zwischen CPU-Kernen bergen, die momentan der Flaschenhals in der Computerindustrie darstellt.“
