Nanoelektronik: Molekülgroßer Transistor entwickelt

Organisches Molekül mit Transistor-Fähigkeiten

Zhenan Bao und Hendrik Schon, zwei Forscher von Lucents Bell Labs, haben den vermutlich ersten individuell adressierbaren Transistor gefertigt, der aus nur einem organischen Molekül besteht. Im Vergleich mit aktuellen Transistoren ist Bell Labs Ein-Molekül-Transistor nur ein Zehntel so groß - etwa zehn Millionen davon finden auf dem Kopf einer Nadel Platz.

Bao und Schon Die Forscher bezeichnen ihren Transistor als "Nanotransistor", da er etwa einen Nanometer groß ist, also ein Milliardstel eines Meters. Der Nanotransistor scheint Silizium-Transistoren in der Leistung ebenbürtig zu sein, besteht jedoch aus dem Kohlenstoff-basierten Halbleiter Thiol. Neben Kohlenstoff enthält Thiol auch Wasserstoff und Schwefel.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Nanotransistoren ist die Fertigung von Elektroden, die nur durch ein paar Moleküle getrennt sind, und die Anbringung von elektrischen Kontakten an die kleinen Bauteile. "Es ist nahezu unmöglich, drei Elektroden an ein mikroskopisch kleines Molekül anzubringen", betont Bao. "Wir haben das Problem gelöst, indem wir dem Molekül ermöglichen, diese Kontakte selber zu finden und sich an ihnen zu befestigen, ein Prozess der sich 'self-assembly' nennt."

Die Forscher haben in einen Silizium-Wafer eine Kerbe gekratzt, in deren Grund eine Goldschicht eingebracht wurde. Diese fungiert als eine der drei Elektroden des Transistors. Schließlich wurde der Wafer in eine Lösung aus Thiol-Molekülen und inaktiven Molekülen getaucht und anschließend getrocknet. Die inaktiven Moleküle dienten dabei zur Verringerung der Thiol-Konzentration. Nach der Verdunstung blieb eine exakt ein Molekül dicke Schicht auf der Goldelektrode zurück. Durch sorgsame Anpassung der Thiol-Verteilung auf die inaktiven Moleküle konnten die Forscher statistisch sicherstellen, dass nur ein aktives Molekül auf der Goldelektrode zurückblieb. Auf dieses Molekül wurde nun eine weitere Goldelektrode aufgebracht, während die dritte seitlich an der Silizium-Kerbe angebracht wurde.

Diese chemische Selbstkonstruktions-Technik soll relativ einfach und günstig sein. Im Gegensatz zu Silizium soll dazu kein Reinraum benötigt werden. "Unser Experiment zeigt, dass es ohne aufwendige Fertigungsprozesse möglich ist, Transistor-Fähigkeiten in einem einzelnen Molekül zu realisieren", so Schon.

Den Bell-Labs-Wissenschaftlern ist es gelungen, mit zwei deart gefertigten Nanotransistoren einen Spannungs-Inverter zu bauen. Dieser Standard-Schaltkreis wandelt "0" in "1" und umgekehrt - mit dem Unterschied, dass er nun in Molekülgröße umgesetzt wurde.

"Diese Arbeit katapultiert die Miniaturisierung von Elektronik an seine finale Grenze", so Federico Capasso, Physics Research Vice President bei Bell Labs. "Sie könnte der Eckpfeiler für eine neue Nanoelektronik-Ära sein."