Molekül-Transistoren zu logischen Schaltungen verknüpft
Gleich drei Forschergruppen aus den USA und den Niederlanden ist es gelungen, aus milliardstel Meter kleinen Strukturen logische Schaltkreise herzustellen. Damit konnte eine große Hürde auf dem Weg von der heutigen Mikroelektronik zur zukünftigen Nanoelektronik mit einem Vielfachen der Leistungsfähigkeit konventioneller Computerchips überwunden werden. Alle Arbeiten veröffentlichen die Forscher in Science. "Das sind dramatische Schritte auf dem Weg zu elektronischen Nanocomputern", beurteilt Greg Y. Tseng, Physiker an der Stanford University , diese drei Ergebnisse.
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Setzen heute die Chiphersteller noch darauf, mit ausgefeilten Lithografie-Methoden immer kleinere Strukturen in Silizium-Rohlinge zu ätzen ("Top-Down"), bauen die Nanoforscher umgekehrt ihre Schaltkreise gezielt aus einzelnen Molekülen auf ("Bottom-Up"). So kreuzten Charles M. Lieber und seine Kollegen von der Harvard University nur wenige Atome dicke Nanodrähte aus Silizium und Galliumnitrid übereinander.
Dadurch, dass im Galliumnitrid überschüssige Elektronen (n-Typ) und im Silizium fehlende Elektronen, so genannte Elektronenlöcher (p-Typ), einen kleinen Strom leiten können, entsteht ein Feld aus logischen Schaltungen. Je nach Randbedingung können diese Schaltungen elektronisch Funktionen wie ODER, UND, ODER NICHT ausführen. Solche logischen Verknüpfungen bilden die Grundlage für die digitalen Rechenoperationen, die ein Computer ausführen kann.
Statt dünne Siliziumdrähte setzten Cees Dekker und Kollegen von der Technischen Universität Delft kleine Röhrchen aus Kohlenstoff auf eine hochreine Silizium-Oberfläche. Diese halbleitenden Hohlkörper, deren Hülle gerade mal eine Atomlage dick ist, trennten die Forscher durch eine dünne isolierende Schicht aus Aluminiumoxid so geschickt voneinander, dass sie Schaltkreise aus drei unabhängigen Transistoren aufbauen konnten. Im Unterschied zu früheren Experimenten erreichten diese logischen Schaltungen einen Verstärkungswert (Gain) von knapp zehn. Mit so guten elektronische Eigenschaften erscheint ein Computerchip aus diesen Nanoröhrchen in Zukunft erstmals möglich.
Jan Hendrik Schön und seine Kollegen von den US-Bell Laboratories in Murray Hill greifen dagegen auf komplizierte organische Moleküle zurück. In einem aufwändigen Prozess setzen die Forscher diese Moleküle (Alkanedithiol, Terthiophenedithiol) auf eine gestufte Silizium-Oberfläche. Eine dünne, aufgedampfte Lage aus Goldatomen dient als elektrischer Kontakt. Testmessungen bei tiefen Temperaturen haben gezeigt, dass ein einzelnes "elektrisch aktives" Molekül auf der Siliziumfläche wie ein Transistor arbeitet. Mit einem solchen Molekül-Transistor gelang es den Forscher, einen so genannten "Inverter" aufzubauen. Diese logische Schaltung wandelt eine digitale "1" in eine "0" um.
Bis zum ersten Nanochip müssen noch weitere Hindernisse überwunden werden: Zum einen lassen sich die Nanodrähte oder Röhrchen noch nicht genau genug auf eine feste Position einer Oberfläche setzen, um Milliarden von Transistoren tatsächlich auf einen Quadratzentimeter zu bannen. Zum anderen ist die Ausbeute an verwertbaren und fehlerlos aufgebauten Nanoröhrchen mit den heutigen Herstellungsmethoden noch zu gering, um diese Chips kostengünstig herzustellen.
Jan Oliver Löfken
