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Molekularer Transistor schaltet mit nur einem Elektron

Transistoren, die fundamentalen Bauteile in der Elektronik, bestehen üblicherweise aus Siliziumkristallen, die mit anderen Atomsorten dotiert sind. Grundsätzlich funktionieren sie wie ein Schalter und können Strom zwischen zwei Elektroden fließen lassen oder nicht. Betätigt wird der Schalter durch eine Spannung an einer dritten Elektrode. Silizium-Transistoren haben deshalb drei Kontakte: Von einem kommt der Strom, im zweiten kann er abfließen und am dritten - dem sogenannten "Gate" - wird mittels der angelegten Spannung der Stromfluss ein- und ausgeschaltet.

Anfang der 1970er-Jahre waren auf einem Chip ein paar Tausend Transistoren untergebracht. Durch die fortschreitende Miniaturisierung können heute auf einen Prozessor mehrere Milliarden Transistoren gepackt werden. Doch die Siliziumtechnologie stößt hier zunehmend an physikalische Grenzen. "Bei extrem kleinen Kristallen hat man keine ausreichende Kontrolle mehr über die elektronischen Eigenschaften", erklärte Robert Stadler vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien in einer Aussendung. Gemeinsam mit Wissenschaftern der Universität Zürich und des IBM Forschungslabors in Rüschlikon hat Stadler einen Transistor entwickelt, der auf grundlegend andere Weise funktioniert und nur aus einem einzigen Molekül besteht.

Organometallisches Molekül designt

Dabei handelt es sich um ein organometallischen Molekül, das Chemiker in Zürich designt haben. In dessen Mitte haben sie ein Molybdän-Atom platziert. Wie ein Silizium-Transistor lässt sich so ein Molekül zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her schalten. Die Leitfähigkeit der beiden Zustände unterscheidet sich dabei um das Tausendfache, ein so großer Faktor sei "mit molekularen Transistoren bisher noch nie realisiert worden", so Stadler zur APA.

Aufgrund des speziellen Designs und der Eigenschaften des molekularen Transistors sind auch nur noch zwei Goldkontakte notwendig, die die Wissenschafter an die nur zweieinhalb Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) langen Moleküle anbringen. Eine dritte Elektrode wie bisher ist nicht notwendig.

Computersimulation bringt Klarheit

Aufwendige Computersimulationen am Vienna Scientific Cluster (VSC), die von Stadler und seinem Dissertanten Georg Kastlunger in Wien durchgeführt wurden, konnten die Vorgänge in dem Molekül auf quantenphysikalischer Ebene entschlüsseln. Es zeigte sich, dass ein einzelnes Elektron am Molybdän-Atom für die Schaltung verantwortlich ist.

Noch eignet sich die Technologie nicht für den kommerziellen Einsatz, der Molekül-Transistor arbeitet derzeit nur bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum. Bei IBM arbeitet man aber schon an Konzepten, um mehrere solche Moleküle in Nanoporen auf einem Silizium-Chip aufzubringen, sodass diese unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen, bei Raumtemperatur, funktionieren. "Vielleicht sind organische Moleküle mit eingebauten Metallatomen der Weg zu ultrakleinen Schaltern für neue Speicher - das Potenzial für spannende Anwendungen ist jedenfalls da, vor allem weil durch Wegfall der dritten Elektrode unerreichte Integrationsdichten möglich werden", sagte Stadler.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.255

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