Molekularer Transistor entwickelt, der mit nur einem Elektron schaltet

16. November 2015, 17:56
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Neuartiger Schalter auf Nanometer-Skala von Forschern der TU Wien mitentwickelt

Wien – Einen Transistor, der aus einem einzigen Molekül besteht und mit nur einem Elektron schaltet, hat ein schweizerisch-österreichisches Forscherteam entwickelt. Es handelt sich um organische Designermoleküle mit eingebauten Metallatomen, berichten die Wissenschafter aktuell im Fachjournal "Nature Nanotechnology".

Transistoren, fundamentale Bauteile in der Elektronik, bestehen üblicherweise aus Siliziumkristallen, die mit anderen Atomsorten dotiert sind. Grundsätzlich funktionieren sie wie ein Schalter und können Strom zwischen zwei Elektroden fließen lassen oder nicht. Betätigt wird der Schalter durch eine Spannung an einer dritten Elektrode. Silizium-Transistoren haben deshalb drei Kontakte: Von einem kommt der Strom, im zweiten kann er abfließen und am dritten – dem sogenannten "Gate" – wird mittels der angelegten Spannung der Stromfluss ein- und ausgeschaltet.

Organometallisches Molekül

Anfang der 1970er-Jahre waren auf einem Chip ein paar Tausend Transistoren untergebracht. Durch die fortschreitende Miniaturisierung können heute auf einen Prozessor mehrere Milliarden Transistoren gepackt werden. Doch die Siliziumtechnologie stößt zunehmend an physikalische Grenzen. "Bei extrem kleinen Kristallen hat man keine ausreichende Kontrolle mehr über die elektronischen Eigenschaften", sagt Robert Stadler vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien.

Gemeinsam mit Wissenschaftern der Universität Zürich und des IBM Forschungslabors in Rüschlikon hat Stadler einen Transistor entwickelt, der auf grundlegend andere Weise funktioniert und nur aus einem einzigen Molekül besteht: Es handelt sich dabei um ein organometallisches Molekül, das Chemiker in Zürich entwickelt haben.

In dessen Mitte haben sie ein Molybdän-Atom platziert. Wie ein Silizium-Transistor lässt sich so ein Molekül zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her schalten. Die Leitfähigkeit der beiden Zustände unterscheidet sich dabei um das Tausendfache, ein so großer Faktor sei mit molekularen Transistoren bisher noch nie realisiert worden, so Stadler.

Funktionsweise entschlüsselt

Aufgrund des speziellen Designs und der Eigenschaften des molekularen Transistors sind auch nur zwei Goldkontakte notwendig, die die Wissenschafter an die zweieinhalb Nanometer langen Moleküle anbringen. Eine dritte Elektrode wie bisher ist nicht notwendig.

Aufwendige Computersimulationen am Vienna Scientific Cluster (VSC), die von Stadler und Kollegen durchgeführt wurden, konnten die Vorgänge in dem Molekül auf quantenphysikalischer Ebene entschlüsseln. Es zeigte sich, dass ein einzelnes Elektron am Molybdän-Atom für die Schaltung verantwortlich ist.

Noch eigne sich die Technologie nicht für den kommerziellen Einsatz, der Molekül-Transistor arbeite derzeit nur bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum, so der Forscher. Bei IBM arbeite man aber schon an Konzepten, um mehrere solche Moleküle in Nanoporen auf einem Silizium-Chip aufzubringen, sodass sie unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen funktionieren. (APA, red, 16.11.2015)

  • Ein einzelnes organisches Molekül dient als Schalter. Im Zentrum befindet sich ein Molybdän-Atom zwischen zwei Gold Elektroden.
    illu.: tu wien

    Ein einzelnes organisches Molekül dient als Schalter. Im Zentrum befindet sich ein Molybdän-Atom zwischen zwei Gold Elektroden.

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