Forscher basteln molekulare Transistoren

Bei der Entwicklung immer kleinerer elektronischer Schaltelemente haben Wissenschaftler die letzte Grenze erreicht: Ihr molekularer Transistor lässt Strom durch ein einziges Metallatom fließen.

Der Transistor, Grundbaustein aller elektronischen Schaltkreise, hat in den vergangenen Jahrzehnten immer winzigere Ausmaße angenommen. Mit neuen Verfahren versuchen Wissenschaftler fieberhaft, die physikalischen Grenzen der konventionellen Siliziumtechnik zu überwinden: So wurden zum Beispiel bereits Nanoröhrchen aus Kohlenstoff zu winzigen Schaltungen zusammengebaut.

Zwei Forschergruppen ist es jetzt gelungen, Transistoren aus einem einzigen Molekül herzustellen. Eines der Teams ließ dabei den Strom durch ein einzelnes Metallatom fließen und erreichte damit die Grenze des physikalisch Machbaren. Ihre Ergebnisse präsentieren die Wissenschaftler von der Cornell University und der Harvard University in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins “Nature”.

Das Team um Paul McEuen und Daniel Ralph von der Cornell University beförderte ein Kobaltatom in ein speziell konstruiertes Molekül und bugsierte dieses zwischen zwei Elektroden aus Gold. Wurde Spannung angelegt, hüpften die Elektronen von einem Draht über das Kobaltatom zum Draht gegenüber. Den “virtuellen Tanz der Elektronen” nennt McEuen dieses Phänomen.
Dennoch, räumt McEuen ein, besitzt das molekulare Konstrukt noch nicht alle Funktionen eines Siliziumtransistors. Bisher fehlt ihm etwa die Fähigkeit, elektrische Signale zu verstärken. Allerdings kann der Nanotransistor nach Meinung des Physikers als chemischer Sensor eingesetzt werden, da Veränderungen in seiner Umgebung zu messbaren Abweichungen in seiner Leitfähigkeit führen.

Das nächste Ziel der Cornell-Wissenschaftler ist die Konstruktion eines Moleküls, das als Schalter dient, indem es bei unterschiedlichen Spannungen seine äußere Form verändert. “Noch ist es niemandem gelungen, ein einzelnes Molekül in einem Schaltkreis unterzubringen und es elektronisch zu aktivieren”, sagt McEuen. Doch dem Ziel des winzigen Schaltkreises von molekularer Größe sei man einen großen Schritt näher gekommen.

In dem winzigen Transistor ist das Atom in einer Hülle aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen gefangen und wird von molekularen Klammern aus Pyridin, einem mit Benzol verwandten Stoff, an seinem Platz gehalten. An beiden Seiten des Käfigs hängen Schwefelatome, mit denen das Molekül an den Goldelektroden kleben bleibt. Ein ähnliches Verfahren wandte auch die zweite Forschergruppe um Hongkun Park von der Harvard University an, allerdings nicht mit einem einzelnen Kobalt-, sondern zwei Vanadium-Atomen.

Die schwierigste Aufgabe war für die Wissenschaftler, das Transistor-Molekül zwischen den Enden der Goldelektroden zu platzieren. Die konventionelle Lithographie erreicht bestenfalls eine Auflösung von zehn Nanometern. Die Enden der Elektroden aber durften nur etwa einen Nanometer, also ein Millionstel Millimeter, auseinander liegen.

Beide Forscherteams bedienten sich deshalb einer Technik namens Elektromigration. Dabei wird durch den Golddraht eine immer stärkere Spannung gejagt, bis er schließlich bricht. In diesem Moment wird das Molekül von dem starken elektrischen Feld in die Lücke gesaugt und von seinen Schwefel-Klebekrallen zwischen den Drahtenden festgehalten. Fertig ist der Transistor: Der Stromfluss, fanden die Forscherteams heraus, kann nun durch die Veränderung der Spannung in der Nähe des Moleküls ein- und ausgeschaltet werden.