News: Huckepacktransistoren und Schachbrettschaltungen
Im Reich von Nanometern gelten viele Gesetze der Elektronik nur noch bedingt. Wissenschaftler müssen also elektronische Bauelemente im Kleinen neu erfinden. Manchmal greifen sie dabei auch auf ungewöhnliches Material zurück.
© (Ausschnitt)
Ohne sie kommt kein Computer aus. Transistoren bevölkern millionenfach ihr Herz, von ihrer Zahl hängt im Wesentlichen die Leistungsfähigkeit der Rechenknechte ab. Damit auch in Zukunft eine Steigerung der Prozessorleistung ereicht werden kann und die Chips nicht aus den Nähten platzen, müssen die schon jetzt winzigen Strukturen noch kleiner werden. Doch eine Miniaturausgabe derzeitiger Bauteile wird nur teilweise zum Erfolg führen, denn die alten Konzepte taugen nur bedingt für Nano-Rechner. Neue Ideen müssen her.
Ein Physikerteam um Kinneret Keren hat sich nun eines besonderen Materials für seinen Nano-Transistor bedient: der Erbsubstanz DNA [1]. Die Forscher haben dazu zunächst einem Teil des DNA-Stranges ein Bakterienprotein verpasst, und auch Nanometer dünne Röhrchen aus Kohlenstoff ummantelten sie mit einer passenden Proteinhülle. Da die beiden Proteine leicht aneinander binden, konnten die Wissenschaftler auf diese Weise das Nanoröhrchen, das gemeinhin als guter elektrischer Leiter oder zumindest als Halbleiter gilt, an dem DNA-Strang festkleben – und zwar der Länge nach, sodass beide Makromoleküle parallel zueinander ausgestreckt waren.
Im nächsten Schritt versahen Keren und Co das DNA-Molekül mit einer Goldhülle. Praktischerweise blieb das Edelmetall dabei nicht an dem Protein-beschichteten Teilstück kleben, sodass zwei Gold-Enden des Biomoleküls mit dem Nanoröhrchen in der Mitte übrig blieben. Dieses Paket setzten die Forscher anschließend auf einer mit einer dünnen isolierenden Oxidhaut überzogenen Silicium-Halbleiterschicht ab. Die beiden leitenden Gold-Enden verbanden sie mittels eines herkömmlichen Lithographie-Prozesses mit je einer elektrischen Zuleitung. Auf diese Weise entstanden die Source- und die Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors (FET).
Ähnlich eines Wasser-führenden Schlauchs, bei dem sich durch ein beherztes Zupressen der Leitung der Fluss regulieren lässt, kann auch bei einem FET der Stromfluss gesteuert werden. Dazu muss nur eine entsprechende Spannung über dem Silicium-Substrat im Boden angelegt und so der Strom-führende Kanal zugedrückt werden. Das funktioniert auch bei den DNA-Nanoröhrchen-Huckepacktransistoren. Mehr als zwölf funktionsfähige Exemplare konnten Keren und Kollegen herstellen.
Ganz ohne DNA, aber dafür genauso nano machten es Zhaohui Zhong und ihr Team [2]. Hier galt es in einem schachbrettartigen Arrangement von Transistoren genau den richtigen anzusprechen. Eine Standardaufgabe im Bereich der Computerelektronik, aber nicht eben leicht zu lösen, wenn die Bausteine Nanometer klein sind. Zwar sind die Transistoren im Vergleich zu Kerens Modell schnell hergestellt – Wissenschaftler hatten zuvor bereits gezeigt, dass zwei sich kreuzende Nanodrähte als ein solcher elektronischer Schalter fungieren können –, dummerweise kreuzt in der Schachbrettverschaltung aber ein Draht stets mehrere andere, womit ein Eingangspuls mehrere Ausgangspulse auslösen würde. Das jedoch kann die Ingenieure von Computerchips nur wenig beglücken, sie wollen lieber selektiv eine Leitung schalten.
Deshalb haben nun die Forscher um Zhong zunächst einmal ein Nanodraht-Netzwerk aus inaktiven Transistoren gefertigt. Erst anschließend haben sie die Kreuzungspunkte mittels einer chemischen Reaktion aktiviert, wobei sie genau steuern konnten, welchen Transistor sie einschalteten und welchen nicht. Denn die chemische Reaktion lief nur unter Einfluss von Licht ab, und über eine entsprechende Maske und herkömmliche optische Abbildungstechniken konnten die Wissenschaftler so die gewünschten Kreuzungspunkte auswählen. Zusammen mit den DNA-Transistoren bietet sich also genug Material für neue winzige Elektronik-Kreationen, wie es scheint.
Ein Physikerteam um Kinneret Keren hat sich nun eines besonderen Materials für seinen Nano-Transistor bedient: der Erbsubstanz DNA [1]. Die Forscher haben dazu zunächst einem Teil des DNA-Stranges ein Bakterienprotein verpasst, und auch Nanometer dünne Röhrchen aus Kohlenstoff ummantelten sie mit einer passenden Proteinhülle. Da die beiden Proteine leicht aneinander binden, konnten die Wissenschaftler auf diese Weise das Nanoröhrchen, das gemeinhin als guter elektrischer Leiter oder zumindest als Halbleiter gilt, an dem DNA-Strang festkleben – und zwar der Länge nach, sodass beide Makromoleküle parallel zueinander ausgestreckt waren.
Im nächsten Schritt versahen Keren und Co das DNA-Molekül mit einer Goldhülle. Praktischerweise blieb das Edelmetall dabei nicht an dem Protein-beschichteten Teilstück kleben, sodass zwei Gold-Enden des Biomoleküls mit dem Nanoröhrchen in der Mitte übrig blieben. Dieses Paket setzten die Forscher anschließend auf einer mit einer dünnen isolierenden Oxidhaut überzogenen Silicium-Halbleiterschicht ab. Die beiden leitenden Gold-Enden verbanden sie mittels eines herkömmlichen Lithographie-Prozesses mit je einer elektrischen Zuleitung. Auf diese Weise entstanden die Source- und die Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors (FET).
Ähnlich eines Wasser-führenden Schlauchs, bei dem sich durch ein beherztes Zupressen der Leitung der Fluss regulieren lässt, kann auch bei einem FET der Stromfluss gesteuert werden. Dazu muss nur eine entsprechende Spannung über dem Silicium-Substrat im Boden angelegt und so der Strom-führende Kanal zugedrückt werden. Das funktioniert auch bei den DNA-Nanoröhrchen-Huckepacktransistoren. Mehr als zwölf funktionsfähige Exemplare konnten Keren und Kollegen herstellen.
Ganz ohne DNA, aber dafür genauso nano machten es Zhaohui Zhong und ihr Team [2]. Hier galt es in einem schachbrettartigen Arrangement von Transistoren genau den richtigen anzusprechen. Eine Standardaufgabe im Bereich der Computerelektronik, aber nicht eben leicht zu lösen, wenn die Bausteine Nanometer klein sind. Zwar sind die Transistoren im Vergleich zu Kerens Modell schnell hergestellt – Wissenschaftler hatten zuvor bereits gezeigt, dass zwei sich kreuzende Nanodrähte als ein solcher elektronischer Schalter fungieren können –, dummerweise kreuzt in der Schachbrettverschaltung aber ein Draht stets mehrere andere, womit ein Eingangspuls mehrere Ausgangspulse auslösen würde. Das jedoch kann die Ingenieure von Computerchips nur wenig beglücken, sie wollen lieber selektiv eine Leitung schalten.
Deshalb haben nun die Forscher um Zhong zunächst einmal ein Nanodraht-Netzwerk aus inaktiven Transistoren gefertigt. Erst anschließend haben sie die Kreuzungspunkte mittels einer chemischen Reaktion aktiviert, wobei sie genau steuern konnten, welchen Transistor sie einschalteten und welchen nicht. Denn die chemische Reaktion lief nur unter Einfluss von Licht ab, und über eine entsprechende Maske und herkömmliche optische Abbildungstechniken konnten die Wissenschaftler so die gewünschten Kreuzungspunkte auswählen. Zusammen mit den DNA-Transistoren bietet sich also genug Material für neue winzige Elektronik-Kreationen, wie es scheint.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.