News: Logisches Leuchten
Es braucht nur einige Silberatome und ein wenig Strom, um eine Miniaturleuchte herzustellen. Und je nachdem, wie die Spannung an das Metallcluster angelegt wird, lässt sich damit sogar rechnen.
© (Ausschnitt)
Im August letzten Jahres ging den Forschern um Robert Dickson vom Georgia Institute of Technology in Atlanta erstmals ein Licht auf – ein sehr kleines allerdings. Denn aus nur zwei bis acht Atomen bestanden die winzigen Cluster aus Silberatomen, welche die Forscher zum Leuchten gebracht hatten.
Dazu ließen Dickson und seine Kollegen zunächst einmal Strom von rund einem Ampere durch eine dünne, leicht oxidierte Silberschicht fließen. Die vergleichsweise große Stromdichte in der dünnen Schicht bewirkte dann, dass Atome mitgeschleppt werden und so an manchen Stellen Risse im Material entstanden. An anderen Stellen lagerten sich Atome wieder an und bildeten jene Silbercluster.
Dieser vom elektrischen Strom ausgelöste Material-Transport ist als Elektromigration wohl bekannt und sorgt bei der Chipindustrie für Kopfzerbrechen, da ungewollt Unterbrechungen in Leiterbahnen aufklaffen oder Kurzschlüsse entstehen. Dickson und seine Mitarbeiter nutzen den Effekt jedoch gezielt, um die leuchtenden Silbercluster abzuscheiden. Und wer weiß, vielleicht kann auch die Chipindustrie in Zukunft dem bislang unerwünschten Effekt etwas abgewinnen, denn wie Dickson nun mit seinem Kollegen Tae-Hee Lee zeigen konnte, taugen die winzigen Silberkleckse als einfacher optoelektrischer Transistor – ein Bauelement also, von dem Abertausende in jedem Computer stecken.
Dabei erfolgt lediglich die Eingabe in Form eines elektrischen Signals, die Ausgabe geschieht über das Leuchten der Cluster. "Anstelle die Stromstärke am Ausgang eines herkömmlichen Transistors zu messen, bestimmen wir hier die Elektrolumineszenz bei vorgegebener Eingangsspannung", erklärt Dickson das Prinzip. "Unser Bauteil verhält sich also wie ein Transistor mit Licht als Ausgabe anstelle von elektrischem Strom."
Da die Größe eines Clusters die Lage seiner Energieniveaus bestimmt und damit auch die Farbe, mit der er Licht emittiert, lassen sich auch viele Cluster auf einmal durch entsprechende Wahl der Spannung an den Eingangselektroden ansteuern. Um eines der Nanolichter einzuschalten, bedarf es im Übrigen zwei passender Spannungspulse, die kurz hintereinander an dem Silbercluster anliegen: Der erste holt positiv geladene Löcher in das Material – zwingt also Elektronen, das Silber zu verlassen. Der zweite Puls schiebt Elektronen wieder zurück in das Metall. Da die beiden Pulse nur Millionstel Bruchteile einer Sekunde aufeinander folgen, können sich die Elektronen mit den Löchern vereinen. Weil die Ladungsträger außerdem auf unterschiedlichen Energieniveaus im Material sitzen, wird dabei Energie frei, die als Lichtquant emittiert wird.
Je nach Amplitude und Dauer der Spannungspulse verhalten sich die Silbercluster auch wie logische Gatter, mit denen sich typische Verknüpfungsoperationen durchführen lassen, wie sie zuhauf in der digitalen Schaltlogik eines Computers stattfinden. Tausende solcher Cluster könnte man auf einem Chip unterbringen und entsprechend Rechenoperationen durchführen lassen – einzige Bedingung: Die Cluster müssten noch weit genug voneinander entfernt sein, damit sich ihr Zustand noch mit einer Kamera auflösen lässt.
Dickson erwartet jedoch nicht, dass die neuartigen optoelektronischen Bauteile herkömmliche Halbleiter-Elemente bei normalen Aufgaben ersetzen werden. Bei komplexen, hoch spezialisierten Berechnungen, die einen gewöhnlichen Computer unter Umständen überfordern, sieht er jedoch Potenzial. Einen großen Nachteil haben die Winzlinge momentan jedoch: Zwar arbeiten sie bei Zimmertemperatur und brauchen eigentlich keine aufwändige Kühlung, doch nach einigen Stunden Rechenzeit brennen die Silberpartikel durch und sind damit unbrauchbar.
Dazu ließen Dickson und seine Kollegen zunächst einmal Strom von rund einem Ampere durch eine dünne, leicht oxidierte Silberschicht fließen. Die vergleichsweise große Stromdichte in der dünnen Schicht bewirkte dann, dass Atome mitgeschleppt werden und so an manchen Stellen Risse im Material entstanden. An anderen Stellen lagerten sich Atome wieder an und bildeten jene Silbercluster.
Dieser vom elektrischen Strom ausgelöste Material-Transport ist als Elektromigration wohl bekannt und sorgt bei der Chipindustrie für Kopfzerbrechen, da ungewollt Unterbrechungen in Leiterbahnen aufklaffen oder Kurzschlüsse entstehen. Dickson und seine Mitarbeiter nutzen den Effekt jedoch gezielt, um die leuchtenden Silbercluster abzuscheiden. Und wer weiß, vielleicht kann auch die Chipindustrie in Zukunft dem bislang unerwünschten Effekt etwas abgewinnen, denn wie Dickson nun mit seinem Kollegen Tae-Hee Lee zeigen konnte, taugen die winzigen Silberkleckse als einfacher optoelektrischer Transistor – ein Bauelement also, von dem Abertausende in jedem Computer stecken.
Dabei erfolgt lediglich die Eingabe in Form eines elektrischen Signals, die Ausgabe geschieht über das Leuchten der Cluster. "Anstelle die Stromstärke am Ausgang eines herkömmlichen Transistors zu messen, bestimmen wir hier die Elektrolumineszenz bei vorgegebener Eingangsspannung", erklärt Dickson das Prinzip. "Unser Bauteil verhält sich also wie ein Transistor mit Licht als Ausgabe anstelle von elektrischem Strom."
Da die Größe eines Clusters die Lage seiner Energieniveaus bestimmt und damit auch die Farbe, mit der er Licht emittiert, lassen sich auch viele Cluster auf einmal durch entsprechende Wahl der Spannung an den Eingangselektroden ansteuern. Um eines der Nanolichter einzuschalten, bedarf es im Übrigen zwei passender Spannungspulse, die kurz hintereinander an dem Silbercluster anliegen: Der erste holt positiv geladene Löcher in das Material – zwingt also Elektronen, das Silber zu verlassen. Der zweite Puls schiebt Elektronen wieder zurück in das Metall. Da die beiden Pulse nur Millionstel Bruchteile einer Sekunde aufeinander folgen, können sich die Elektronen mit den Löchern vereinen. Weil die Ladungsträger außerdem auf unterschiedlichen Energieniveaus im Material sitzen, wird dabei Energie frei, die als Lichtquant emittiert wird.
Je nach Amplitude und Dauer der Spannungspulse verhalten sich die Silbercluster auch wie logische Gatter, mit denen sich typische Verknüpfungsoperationen durchführen lassen, wie sie zuhauf in der digitalen Schaltlogik eines Computers stattfinden. Tausende solcher Cluster könnte man auf einem Chip unterbringen und entsprechend Rechenoperationen durchführen lassen – einzige Bedingung: Die Cluster müssten noch weit genug voneinander entfernt sein, damit sich ihr Zustand noch mit einer Kamera auflösen lässt.
Dickson erwartet jedoch nicht, dass die neuartigen optoelektronischen Bauteile herkömmliche Halbleiter-Elemente bei normalen Aufgaben ersetzen werden. Bei komplexen, hoch spezialisierten Berechnungen, die einen gewöhnlichen Computer unter Umständen überfordern, sieht er jedoch Potenzial. Einen großen Nachteil haben die Winzlinge momentan jedoch: Zwar arbeiten sie bei Zimmertemperatur und brauchen eigentlich keine aufwändige Kühlung, doch nach einigen Stunden Rechenzeit brennen die Silberpartikel durch und sind damit unbrauchbar.
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