Um elektronische Geräte weiter zu verkleinern, sind Wissenschaftler bestrebt, deren Bauteile auf immer winzigeren Skalen herzustellen. Transistoren etwa können bereits mit nur einem Molekül betrieben werden. Ein Forscherteam um Takhee Lee vom Gwangju Institute of Science and Technology in Südkorea ist dies nun erstmals gelungen, indem sie die Orbitalenergie eines Molekül verändern.
Lee und seine Kollegen beschichteten zunächst Golddrähte mit Molekülen, um diese daraufhin an einer Stelle durchzubrechen und so eine nanometergroße Lücken darin zu erzeugen. Gelegentlich gerieten dabei zufällig einige der Moleküle in den Hohlraum. Diese fungieren im Transistor als Verbindungsstelle zwischen den beiden Elektroden – also den abgebrochenen Drahtenden. Die Steuerelektrode bildet dagegen eine Schicht aus oxidiertem Aluminium, auf der die Wissenschaftler ihre Konstruktion platzierten.
Transistor aus einem Molekül | In der Bruchstelle eines Golddrahts befindet sich ein Molekül. Über dieses können Elektronen zwischen den beiden Drahtenden (Source- und Drainelektrode) tunneln. Das von der Steuerelektrode (Gate) – die hier aus dem unterliegenden Aluminiumoxid besteht – erzeugte elektrische Feld verändert nun die Energie der Molekülorbitale, wodurch der Stromfluss durch das Molekül kontrolliert werden kann.
Mit speziellen Spektroskopietechniken untersuchten sie dann, wie der Ladungstransport über die Lücke von den anliegenden Spannungen sowie dem Energiezustand des Moleküls abhing. So konnten sie zeigen, dass der gemessene Strom tatsächlich durch die Verbindungsstelle tritt. Zudem demonstrierten Lee und Co, dass eine lineare Beziehung zwischen der angelegten Steuerspannung und der molekularen Orbitalenergie besteht. Letztere beeinflusse dann den Stromfluss zwischen den beiden Drahtenden. Allerdings wiesen nur 35 von mehr als 400 gefertigten Bauelementen die gewünschte Strom-Spannungs-Charakteristik auf und eignen sich damit als Transistor.
Das Team um Lee testete zwei verschiedene Transistortypen, die jeweils andere Moleküle als Kontakt verwendeten. In beiden Fällen setzten sich die Atomverbindungen aus zwei Sulfhydrylgruppen zusammen; diese waren jedoch auf unterschiedliche Weise aneinander gebunden.
Mittels Transistoren lässt sich der Stromfluss zwischen zwei Elektroden steuern, wenn die an einer dritten Elektrode anliegende Spannung verändert wird. Die bisher realisierten molekularen Transistoren basieren auf zwei unterschiedlichen Mechanismen (Coulomb-Blockade und Kondo-Effekt). Der von Lee und seinem Team umgesetzte Ansatz war bislang nur theoretisch beschrieben worden.
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