Lichtquelle für schnellere Chips

Weltweit wachsende Datenmengen lassen die herkömmliche elektronische Verarbeitung an ihre Grenzen stoßen. Die Informationstechnologie der Zukunft setzt deshalb auf Licht als Medium für schnelle Datenübermittlung auch innerhalb von Computerchips. Ein Forschungsprojekt am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), an dem auch der TU-Materialwissenschaftler Professor Ralph Krupke beteiligt ist, konnte nachweisen, dass sich winzige Röhrchen aus Kohlenstoff als On-Chip-Lichtquelle für die Informationstechnologie von morgen eignen, wenn man nanostrukturierte Wellenleiter nutzt, um passende Lichteigenschaften zu erhalten. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler jetzt in Nature Photonics vor.

Im Großen ist die Nachrichtenübertragung durch Licht längst Alltag: Glasfaserkabel als Lichtwellenleiter übertragen zum Beispiel Telefon- und Internetsignale. Auf dem Weg, die Vorteile von Licht, also Geschwindigkeit und Energieeffizienz, künftig auch im Kleinen, auf der Ebene von Computerchips, nutzen zu können, sind Forscher am KIT dank Grundlagenforschung einen wichtigen Schritt zur Anwendung vorangekommen. Durch die Einbindung winziger Kohlenstoffröhrchen in einen nanostrukturieren Wellenleiter haben sie ein kompaktes miniaturisiertes Schaltteil entwickelt, das elektrische Signale in klar definierte optische Signale wandelt.

„Die Nanostrukturen wirken wie ein photonischer Kristall und erlauben es die Eigenschaften des Lichtes aus dem Röhrchen maßzuschneidern“, erklären Felix Pyatkov and Valentin Fütterling, die Erstautoren der Studie, die am Institut für Nanotechnology des KIT forschen. „So können wir sehr schmalbandiges Licht in der gewünschten Farbe auf dem Chip erzeugen.“ In welcher Wellenlänge das Licht weitergeleitet wird, ist durch die Bearbeitung des Wellenleiters präzise definiert: Durch die Gravur mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithografie erhalten die einige Mikrometer langen Wellenleiter feinste Hohlräume von einigen Nanometern Größe, die seine optischen Eigenschaften bestimmen. Die so entstandenen photonischen Kristalle reflektieren das Licht in bestimmten Farben, ein Phänomen, das in der Natur auf den bunt erscheinenden Schmetterlingsflügeln beobachtet werden kann.

Als neuartige Lichtquellen werden Kohlenstoffnanoröhrchen von rund einem Mikrometer Länge und einem Nanometer Durchmesser quer zum Wellenleiter auf Metallkontakte positioniert. Am KIT wurde ein Prozess entwickelt, mit dem es möglich ist, die Nanoröhrchen gezielt in hochgradig komplexe Strukturen zu integrieren. Dabei nutzten die Forscher das Verfahren der Dielektrophorese, um zu erreichen, dass sich die im Durchmesser etwa einen Nanometer – ein Millionstel Millimeter – großen Kohlenstoffröhrchen aus einer Lösung abscheiden und senkrecht zum Wellenleiter anordnen. Diese ursprünglich aus der Biologie stammende Möglichkeit zur Separation von Partikeln mithilfe inhomogener elektrischer Felder eignet sich gut, um nanoskalige Objekte auf Trägermaterialien abzulegen. Die direkt in den Wellenleiter eingebrachten Kohlenstoff-Nanoröhrchen fungieren als winzige Lichtquelle, da sie Photonen erzeugen, wenn elektrische Spannung angelegt wird.

Der nun vorgestellte kompakte Strom-Licht-Signalwandler erfüllt Anforderungen für die nächste Generation von Computern, die elektronische Komponenten mit nanophotonischen Wellenleitern verbinden. Der Signalwandler bündelt das Licht fast so stark wie ein Laser und spricht mit hoher Geschwindigkeit auf variable Signale an. Bereits jetzt lassen sich mithife der von den Forschern entwickelten opto-elektronischen Bauelemente aus elektrischen Signalen Lichtsignale im Giga-Hertz-Frequenzbereich erzeugen.

An dem Forschungsprojekt waren Ralph Krupke, der am Institut für Nanotechnologie des KIT und am Fachbereich Material- und Geowissenschaften der TU Darmstadt forscht, Wolfram H.P. Pernice, der vor einem Jahr vom KIT an die Westfälische Wilhelms-Universität Münster wechselte, und Manfred M. Kappes, Institut für Physikalische Chemie und Institut für Nanotechnologie des KIT, federführend beteiligt.

Gefördert wurde das Projekt durch das Programm Science and Technology of Nanosystems (STN) der Helmholtzgemeinschaft, dessen Ziel es ist, Nanosysteme mit einzigartiger Funktionalität zur erforschen und das Potenzial von Materialien mit Strukturgrößen von wenigen Nanometern zu erschließen. Die Volkswagenstiftung finanzierte für das Forschungsprojekt eine Doktorandenstelle, darüber hinaus unterstützte die Hightech-Plattform Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF) das Vorhaben.

Publikation

Felix Pyatkov, Valentin Fütterling, Svetlana Khasminskaya, Benjamin Flavel, Frank Hennrich, Manfred M. Kappes, Ralph Krupke & Wolfram H.P. Pernice: Cavity enhanced light emission from electrically driven carbon nanotubes. Nature Photonics (2016), DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.70