Ein Forschungsteam der School of Engineering der Princeton University in den USA hat ein ultradünnes Halbleitermaterial entwickelt, das sich mit Licht „programmieren“ lässt. Dieses Material ist nur wenige Moleküle dick und kann dennoch unter Lichteinwirkung verschiedener Wellenlängen wiederholt seine elektronischen und optischen Eigenschaften verändern, was Programmieren, Löschen und erneutes Programmieren ermöglicht. Dieser Durchbruch könnte zur Entwicklung energiesparender Sensoren, neuartiger optoelektronischer Bauelemente und Rechentechnologien beitragen. Die Forschungsergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Die Forscher entwickelten ein ultradünnes Halbleitermaterial, das seine Eigenschaften je nach Lichteinwirkung wiederholt verändern kann. Bildquelle: Website der Princeton University

In den vergangenen Jahrzehnten hat die Halbleiterindustrie die Rechenleistung und Energieeffizienz vor allem durch die stetige Verkleinerung der Bauelementabmessungen gesteigert. Doch da die Chipstrukturgrößen sich der physikalischen Grenze nähern, steht die weitere Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen vor immer größeren Herausforderungen. Das Team erforscht daher neuartige Halbleitermaterialien mit dynamisch einstellbaren Eigenschaften, in der Hoffnung, die Entwicklung der Elektroniktechnologie direkt über das Material selbst voranzutreiben.

Derzeit werden herkömmliche Halbleiter, die in elektronischen Geräten wie Fernsehern und Computern weit verbreitet sind, hauptsächlich über elektrische Signale in ihrem Betriebszustand gesteuert. Nach der Herstellung des Materials ändert sich seine Leitfähigkeit in der Regel nicht wesentlich. Das hier entwickelte Halbleitermaterial hingegen kann aktiv auf äußere Reize reagieren und seine Eigenschaften je nach Bedarf verändern.

Das Team kombinierte ein ultradünnes Halbleitermaterial mit lichtempfindlichen Molekülen. Diese Moleküle ändern ihre Struktur unter Lichteinwirkung verschiedener Wellenlängen, was wiederum die elektronischen Eigenschaften im Halbleiter verändert, sodass die Leitfähigkeit und die optische Reaktion des Materials über Lichtsignale gesteuert werden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitern, deren Eigenschaften nach der Herstellung weitgehend festgelegt sind, kann sich dieses neuartige Material dynamisch an die Lichtbedingungen anpassen und wiederholt programmiert und gelöscht werden. Diese Steuerung des Materials ist kein einfacher „Ein-Aus“-Schalter, sondern ermöglicht kontinuierliche Veränderungen. Durch Variation der Lichtbedingungen kann der Reaktionsgrad des Materials schrittweise eingestellt und bei Bedarf umgekehrt verändert werden, was dem Material flexiblere programmierbare Eigenschaften verleiht.

Das Team hat bereits ein etwa 1 Zoll großes, gleichmäßiges ultradünnes Halbleitermaterial hergestellt und daraus ein programmierbares Array aus elektronischen Schaltern aufgebaut. Dieses Ergebnis zeigt, dass das Material das Potenzial für eine Erweiterung auf größere integrierte Systeme besitzt.