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Schaltkreise mit winzigen Kohlenstoffröhrchen

Transistoren zu logischen Schaltungen verknüpft / Strom von außen zu steuern

Von Rainer Scharf

Die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente ist inzwischen so weit fortgeschritten, daß die Strukturen auf den Halbleiterchips kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. In den kommenden Jahren will man mit der herkömmlichen Halbleitertechnik sogar Strukturen herstellen, die dann nur noch ein Fünftel dieser Größe haben und damit weniger als hundert Nanometer messen werden. Doch schon heute suchen weltweit Forscher nach neuen Wegen zur Miniaturisierung bis in den molekularen Bereich von wenigen Nanometern hinein. Wissenschaftler in den Niederlanden haben jetzt elektronische Schaltkreise hergestellt, in deren Transistoren einzelne Kohlenstoffmoleküle eine entscheidende Rolle spielen.

In den Transistoren, die von Cees Dekker und seinen Mitarbeitern an der Universität von Delft entwickelt wurden, fließt der elektrische Strom durch halbleitende Kohlenstoffnanoröhrchen. Die hohlen Röhrchen sind rund hundert Nanometer lang, jedoch nur etwa ein Nanometer dick, wie die Forscher im "Sciencexpress" berichten. Sie gleichen in ihrer molekularen Struktur aufgerolltem Graphit. Während Graphit ein elektrischer Leiter ist, kommen Kohlenstoffnanoröhren auch in halbleitender Form vor. Mit Hilfe eines elektrischen Potentials, das auf eine solche halbleitende Röhre wirkt, lassen sie sich nach Wunsch zu einem guten oder schlechten Leiter machen. Auf diese Weise kann man den Strom, der nach Anlegen einer elektrischen Spannung durch die Röhre fließt, von außen steuern.

Zur Erzeugung der Transistoren haben die Wissenschaftler zunächst auf eine nichtleitende Unterlage von etwa 600 Nanometer Breite parallel angeordnete Bahnen aus Aluminium aufgebracht. An der Luft oxydierte das Aluminium, und die Bahnen wurden von einer isolierenden Schicht aus Aluminiumoxyd umgeben. Dann erzeugten die Forscher Kohlenstoffröhren unterschiedlicher Dicke, indem sie eine Lösung von Dichloräthan mit Laserlicht bestrahlten. Die dabei von selbst entstehenden Kohlenstoffröhren wurden auf der Unterlage und den Leiterbahnen verteilt, wo sie haften blieben. Mit einem Rastertunnelmikroskop wurden dann Röhrchen aufgespürt, die nur etwa einen Nanometer dick waren und auf jeweils einer der Leiterbahnen lagen. An den Enden solcher Nanoröhrchen haben die Forscher dünne Golddrähte angebracht, über die man einen elektrischen Strom durch das Röhrchen fließen lassen konnte.

Da die ausgewählten Nanoröhrchen halbleitend waren und nur wenige frei bewegliche Ladungsträger enthielten, floß durch sie normalerweise nur ein schwacher Strom. Das änderte sich aber, wenn die Forscher an die unter den Röhrchen liegenden Aluminiumbahnen ein elektrisches Potential von wenigen Volt anlegten. Unter der Wirkung des Potentials entstanden in den Röhrchen viele bewegliche Ladungsträger, und es konnte ein starker Strom fließen. Die Aluminiumbahnen waren somit Steuerelektroden, mit denen sich der Strom durch die Nanoröhrchen beeinflussen ließ. Gemeinsam mit seiner Steuerelektrode bildete jeweils ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Transistor, der den Feldeffekttransistoren aus anorganischem Halbleitermaterial ähnelt, wie man sie in jedem Mikrochip findet.

Die Forscher um Cees Decker haben bis zu vier dieser Transistoren zu elektronischen Schaltungen zusammengeschlossen, die einfache logische Operationen ausführen konnten. So ließ sich mit einem Transistor zwischen zwei Spannungssignalen unterschiedlicher Stärke hin und her schalten. Zwei Transistoren konnten die Informationsmenge von einem Bit speichern oder zwei Eingangssignale zu einem resultierenden Signal verarbeiten. Mit einer größeren Zahl von Transistoren lassen sich entsprechend komplexere logische Operationen ausführen. Doch es müssen noch einige Hindernisse überwunden werden. So ist es bisher nicht möglich, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in großer Zahl gezielt auf den Aluminiumbahnen zu positionieren. Neue Verfahren, bei denen die Röhrchen direkt an den gewünschten Stellen wachsen oder abgelagert werden, könnten hier Abhilfe schaffen. Bisher arbeiten die Schaltkreise noch recht langsam. Die Schaltgeschwindigkeiten würden sich indes wesentlich erhöhen, wenn die Nanoröhrchen auch im halbleitenden Normalzustand eine große Zahl von beweglichen Landungen enthielten. Dies ließe sich durch eine gezielte Verunreinigung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit anderen Atomen erreichen. Vieles spricht dafür, daß die winzigen Röhrchen aus Kohlenstoff es erleichtern werden, die elektronischen Schaltungen weiter zu miniaturisieren. 

Foto Cees Dekker, Delft University of Technology

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 17.10.2001, Nr. 241 / Seite N1

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