Kleiner geht's nicht

News: Kleiner geht's nicht

Vor gut einem halben Jahrhundert revolutionierte die Erfindung des Transistors die Elektronik. Seitdem schrumpfte seine Größe zusehends, bis nun die Grenze des Machbaren erreicht zu sein scheint.

Thorsten Krome

Kaum ein elektronisches Bauelement ist für die Elektronik und Informationstechnologie so wichtig wie der Transistor. Vor gut einem halben Jahrhundert von William Bradford Shockley erfunden, setzte er zu einem bislang ungebrochenen Siegeszug an. Allein der Prozessor eines modernen Computers beherbergt zum Beispiel bis zu 50 Millionen Transistoren.

Um eine derart unvorstellbare Zahl auf ein paar Quadratzentimeter Fläche zu quetschten, mussten die Bauelemente seit ihrer Erfindung ordentlich schrumpfen. Nun, so scheint es, haben Wissenschaftler die Grenzen des Machbaren erreicht. Gleich zwei Forschergruppen präsentieren einen Nano-Transistor, der aus einem einzigen Molekül besteht. Dieses Molekül ist gerade so beschaffen, dass es in seiner Mitte ein oder zwei Metallatome aufnehmen kann – die eigentlichen Leiter, über die später die Ladungen hüpfen werden.

Die Gruppe um Jiwoong Park und Abhay Pasupathy von der Cornell University in Ithaca wählten dazu organische Moleküle mit "Henkeln" aus Pyridin – einem Verwandten des Benzols, die genau ein Cobalt-Atom umklammerten [1]. Ihre Kollegen um Wenjie Liang von der Harvard University in Cambridge entschieden sich für ähnliche Moleküle mit zwei Vanadium-Atomen im Zentrum [2]. Die Schwierigkeit bestand nun darin, diese zwei Nanometer kurzen Moleküle geeignet zu kontaktieren.

Das gelang, indem beide Forschergruppen zunächst eine wenige Nanometer dünne Goldleiterbahn auf einem Substrat herstellten. Hierdurch schickten sie dann kurzeitig einen Strom mit vergleichsweise großer Stromstärke. Dieser riss einzelne Goldatome solange mit sich, bis der Draht an irgendeiner Stelle brach. Das wiederum bewirkte dort ein starkes elektrisches Feld, das schließlich die organischen Moleküle in die Lücke sog. Schwefelatome an den Enden der Moleküle sorgten nun für einen sicheren Halt am Gold zu beiden Seiten der Bruchstelle.

So ließ sich jeweils eine molekulare Brücke über die Lücke in der Goldleiterbahn spannen, über die schließlich die Elektronen flossen – aber immer nur eines nach dem anderen. Dabei konnten die Forscher den Elektronenfluss durch Anlegen einer Spannung über eine dritte Elektrode unterhalb der Struktur auch regeln – wie bei einem richtigen Transistor eben. Dies ist möglich, weil die Spannung, die an dieser Steuerelektrode anliegt, die Energiebarriere herabsetzt, die ein Elektron eigentlich überwinden muss, wenn es auf das Metallatom in der Mitte des Moleküls springen will.

Wenjie Liang und seine Kollegen konnten ebenfalls den Elektronenfluss über die Spannung an der Steuerelektrode regeln. Sie stellten aber noch etwas fest: eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Elektronen der Goldelektroden und den Vanadium-Atomen im Molekül. Dergleichen hatten Physiker schon lange zuvor an anderen System beobachtet, nichtdestotrotz ist das Ergebnis interessant. Denn es deutet darauf hin, dass sich die Molekülbrücke wie ein perfekt leitender eindimensionaler Draht verhält, was wiederum auf einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt hinweist.

Obwohl all diese Ergebnisse recht vielversprechend sind, meint Paul McEuen aus dem Team der Cornell University, dass noch so manche technische Hürde zu überwinden sei, bis die molekulare Elektronik die weit verbreitete Silicium-Technik verdrängen könnte. So müsse man beispielsweise auch eine Verstärkung schwacher Signale erreichen, wie es mit einem normalen Transistor möglich ist.