Es wird erwartet, dass Kohlenstoffnanomaterialien die milliardenschwere Halbleiterindustrie revolutionieren werden

Kohlenstoffnanomaterialien können Silizium in Computerchips ersetzen und viele andere Branchen verändern, aber warum stehen sie am Rande der Kommerzialisierung?

In den letzten 20 Jahren wurden große Durchbrüche bei Nanokohlenstoffmaterialien erzielt, die aus einzelnen Substanzen mit einer Größe zwischen 1 und 100 Nanometern bestehen und ein breites Spektrum an Möglichkeiten vom Nanocomputing bis hin zu intelligenten medizinischen Implantaten eröffnen.

Aufgrund seiner einzigartigen Festigkeit und Leitfähigkeit haben Kohlenstoffnanomaterialien das Potenzial, Silizium in Computerchips zu ersetzen.

Allerdings ist die Kommerzialisierung neuer Materialien sehr schwierig. Die Umsetzung von Laborergebnissen in die Massenproduktion ist ein langer und riskanter Prozess, ähnlich wie die Markteinführung eines neuen Arzneimittels. Technische Hürden und die hohen Kosten für Laborzeit und Produktion haben dazu geführt, dass viele bahnbrechende Materialien frühzeitig versagen.

Bei Kohlenstoff-Nanomaterialien bedeuten Leitfähigkeitsprobleme und Produktionsherausforderungen, dass Computerchips auf Basis von Kohlenstoff-Nanomaterialien möglicherweise weiter entfernt sind als zunächst erwartet.

Startups, F&E-Abteilungen und Universitätslabore entwickeln und bringen derzeit einzigartige Nanokohlenstoffmaterialien auf den Markt.

Graphen- und Kohlenstoffnanoröhren

Aufgrund ihrer geringen Größe verfügen Nanomaterialien über Eigenschaften, die herkömmliche Massenmaterialien nicht erreichen können, darunter ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht (d. h. hohe Festigkeit bei geringem Gewicht) und eine hervorragende elektrische Konnektivität.

Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis – insbesondere Graphen und Kohlenstoffnanoröhren – haben großes Potenzial als Alternativen zu verschiedenen Industriematerialien gezeigt.

Graphen ist eine ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, die in einer Wabenstruktur angeordnet ist.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind Graphenschichten, die in einer röhrenförmigen Struktur angeordnet sind.

Kohlenstoffnanoröhren wurden erstmals Anfang der 1990er Jahre entdeckt, Graphen wurde jedoch erst 2004 von Wissenschaftlern der Universität Manchester isoliert.

Trotz ihrer ähnlichen Eigenschaften und Anwendungen haben Graphen und Kohlenstoffnanoröhren im Laufe der Jahre unterschiedliche Entwicklungspfade durchlaufen.

Graphen ist das stärkste Material, das jemals gemessen wurde. Es hat ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, leitet Elektrizität ähnlich wie ein Supraleiter und ist nahezu transparent. Industrien von der Luft- und Raumfahrt über Halbleiter bis hin zu Sportgeräten untersuchen, wie Graphen zur Leistungssteigerung eingesetzt werden kann.

Graphen-Aerogel, eines der leichtesten Materialien der Welt

Angetrieben von der Halbleiterindustrie hat sich die CNT-bezogene Forschung stärker konzentriert. IBM hat erhebliche Ressourcen für die Entwicklung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für den Einsatz in Computerchips aufgewendet.

Graphene VC „Fieberreduzierung“

Von 2007 bis 2015 stieg die Finanzierung von Graphen-Startups stetig an. Allerdings hat sich der Rückgang der Deals und Finanzierung im Jahr 2016 nicht vollständig erholt.

Dieser Rückgang spiegelt den typischen Attraktivitätsverlust bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien wider, bei dem die Technologie dann zwischen Durchbruch und Kommerzialisierung hin und her gerät.

Startups in diesem Bereich arbeiten an der Entwicklung spezifischer Graphenprodukte – wie Batterien, medizinische Geräte und Elektronik – oder finden Wege, das Material effizient für den allgemeinen Gebrauch herzustellen.

Vorbeck Materials entwickelt beispielsweise graphenbasierte Tinten und Beschichtungen für den Markt der gedruckten Elektronik. Die Graphenprodukte des Unternehmens können in tragbarer Elektronik, RFID (Radiofrequenzidentifikation), Sensoren und anderen Anwendungen eingesetzt werden.

Auf der Produktionsseite produziert und vertreibt XG Sciences, das von Dow Ventures und Samsung Ventures finanziert wurde, Graphenmaterialien. Durch das unternehmenseigene Verfahren entstehen kleine Stapel von Graphenblättern, sogenannte „Nanoblätter“, die als Additive für verschiedene Anwendungen verwendet werden.

Auch die CNT-bezogene Finanzierung ist rückläufig

Auch Startups entwickeln die Kohlenstoffnanoröhren-Technologie, obwohl nur wenige Unternehmen in dieses Gebiet eingestiegen sind.

Start-ups, die sich auf Kohlenstoff-Nanoröhren konzentrierten, verzeichneten nach 2015 ebenfalls einen Rückgang der Finanzierung, möglicherweise aus den gleichen Gründen, aus denen auch die Finanzierung von Graphen einbrach. Nach Jahren der Investitionen in Forschung und Entwicklung stießen Kohlenstoff-Nanoröhren auf technische Hindernisse. 20 Jahre nach ihrem ersten Durchbruch ist sie immer noch nicht weit verbreitet.

Nantero ist eines der finanzkräftigsten und ehrgeizigsten CNT-Startups. Das Unternehmen hat NRAM (nichtflüchtiger Direktzugriffsspeicher) unter Verwendung von CNT entwickelt und hofft, DRAM (dynamischer Direktzugriffsspeicher) und Flash-Speicher als wichtigste Halbleiterspeichergeräte ersetzen zu können.

Nantero glaubt, dass mit der CNT-Technologie Chips mit höherer Dichte als herkömmliche Halbleitermaterialien hergestellt werden können, was die Geschwindigkeit und den Speicher erheblich steigert.

Nantero hat seine Technologie an Fujitsu lizenziert und macht damit einen Schritt in Richtung Kommerzialisierung. Allerdings müssen noch technische und Markthürden überwunden werden, bevor Kohlenstoffnanoröhren in großem Umfang im High-End-Computing eingesetzt werden können.

Unternehmen ziehen es vor, eigene Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten durchzuführen, anstatt zu investieren

Alle großen Halbleiterunternehmen arbeiten an Graphen für Chips und Batterien. Laut der Patentsuchmaschine von CBinsights ist Samsung der größte Halbleiterhersteller mit mehr als 200 Graphen-bezogenen Patenten. Ende 2017 kündigte das Unternehmen die Entwicklung von Graphen-Batteriematerialien an, die fünfmal schneller aufgeladen werden können als herkömmliche Batterien.

Kohlenstoffnanoröhren haben erhebliche Forschungs- und Entwicklungsinvestitionen von der Halbleiterindustrie und großen Technologieunternehmen erhalten. IBM hält mehr als 200 Patente im Zusammenhang mit Kohlenstoffnanoröhren und hat stark in die Entwicklung des Materials investiert.

Im Luft- und Raumfahrtbereich hat Graphen hervorragende Eigenschaften als Zusatz zu Verbundwerkstoffen wie Kohlenstofffasern gezeigt. Eine Studie des Rensselaer Polytechnic Institute aus dem Jahr 2010 ergab, dass Graphen Kohlenstoff-Nanoröhrchen übertrifft und Verbundwerkstoffe stärker, fester und weniger anfällig für Defekte macht.

Airbus hat auch in die Forschung im Zusammenhang mit Graphen investiert und verfügt über sechs Patente im Zusammenhang mit Graphen.

Technische Hürden bremsen Bewerbungen aus

Graphen- und Kohlenstoff-Nanoröhren lassen sich derzeit nur schwer vom Labor in die Großproduktion übertragen und ihre einzigartigen Materialeigenschaften nutzen.

Beispielsweise leitet Graphen Strom besser als Silizium oder Kupfer. In Kombination mit seiner Festigkeit, seinem Gewicht und seiner Transparenz ermöglicht die elektrische Leitfähigkeit von Graphen den Ersatz von Computerchips auf Siliziumbasis und die Verbesserung der Alltagselektronik.

Aber es gibt einen Haken: Graphen ist ein „lückenloser“ Halbleiter, was bedeutet, dass der Stromfluss durch das Material nicht gestoppt werden kann. Hersteller von Computerchips mussten eine „Bandlücke“ in Siliziumchips einführen, die es Benutzern ermöglichte, das Gerät durch Stoppen des Elektronenflusses abzuschalten. Die Schwierigkeit dieses Prozesses ist ein Haupthindernis für die Kommerzialisierung.

Seit geraumer Zeit sind die Methoden zur Einführung von Bandlücken in Graphen ineffizient oder haben das Material verändert und die damit verbundenen überlegenen Eigenschaften sind verschwunden.

Im April 2018 stellten Wissenschaftler unter der Leitung des katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie eine Methode zum Züchten von „Graphen“-Materialien mit Bandlücken vor. Dieser wichtige Schritt bei der Entwicklung graphenbasierter Chips dauerte fast 15 Jahre nach dem ersten Durchbruch von Graphen im Jahr 2004 und zeigte, wie schwierig und zeitaufwändig die Entwicklung neuer Materialien ist.

Kohlenstoffnanoröhren haben Bandlücken, die den Einbau in Computerchips erleichtern – doch die Massenproduktion ist ein entscheidendes Thema.

Die Manipulation der Milliarden winziger Strukturen in Kohlenstoff-Nanoröhren ist äußerst schwierig, da die Ausrichtung der Nanoröhren kontrolliert werden muss, um ihre einzigartigen Eigenschaften nutzen zu können. Vor einer breiten Anwendung sind verbesserte Produktionsmethoden erforderlich, um einheitliche, defektfreie Kohlenstoff-Nanoröhrchen bereitzustellen.

Marktbarrieren: Silizium bleibt im Computing groß

Markthindernisse für die Einführung von Kohlenstoffnanomaterialien können eine größere Herausforderung darstellen als technische Herausforderungen. Neue Materialien stoßen auf Skepsis und Stagnation, wenn sie versuchen, in bestehende Lieferketten zu passen.

Amanda Barnard, eine Physikerin, die für die australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization verantwortlich ist, sagte 2014 in einem Interview: „Wir haben bereits Billionen von Dollar an Investitionen in globale Siliziumchips erhalten, und wir verlassen dieses lukrative Feld nicht.“ '

Samsung-Halbleiterfertigungsanlage im Wert von 3,5 Milliarden US-Dollar, Austin, Texas, USA

Bestehende Akteure werden entweder bestehende Produkte verbessern oder neue Materialien ignorieren, bevor sie ihre Investitionen aufgeben. Der umfassende Ersatz bestehender Materialien durch Graphen dürfte lange dauern, bis synergistische Anwendungen mit Materialien wie Silizium erzielt werden.

Eine weitere Hürde ist die Standardisierung. Eine kürzlich vom Graphene Council durchgeführte Überprüfung von 60 Graphenprodukten ergab, dass mehr als 75 % keine einzelne Materialeigenschaft aufwiesen. Standardisierung muss eingeführt werden, wenn Hersteller Graphen effektiv verkaufen wollen.

Wenn das Material als Ersatz aufgewertet werden soll, muss außerdem der Preis für Graphen sinken. Graphen ist heute knapp und teuer, aber es muss in ein rohstoffähnliches Material umgewandelt werden, um eine brauchbare Alternative zu siliziumbasierten Halbleitern zu werden.

Sobald dies geschieht, sind auf Graphen fokussierte Startups möglicherweise nicht mehr in der Lage, preislich zu konkurrieren. Kleinere Graphen-Startups könnten ihr Geschäft aufgeben oder mit Übernahmen durch Halbleiterhersteller wie Materialunternehmen wie Dow Chemical konfrontiert werden, die möglicherweise ihre Graphenkapazität erhöhen möchten.