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Hilfe, der Schalter ist geschrumpft

Aus Atomen gebastelt: Ein Transistor für den Nanochip

Von Rainer Scharf

Die Miniaturisierung elektrischer Schaltkreise schreitet unaufhaltsam voran. Dabei verfolgt man das ehrgeizige Ziel, Bauelemente zu fertigen, die nur noch wenige Nanometer groß sind und aus einzelnen Molekülen oder Atomen bestehen. Zwei amerikanische Forschergruppen haben nun einen großen Schritt in diese Richtung getan. Wie sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten, stellten sie aus einzelnen Metallatomen, die in organische Moleküle eingebettet waren, winzige Transistoren her. Diese hatten nur ein Hundertstel der Größe herkömmlicher Halbleiterbauelemente in Mikrochips.

Die Metallatome bilden die aktiven Komponenten der Transistoren, die wie die "Vorbilder" elektrische Ströme schalten können. Während die Wissenschaftler von der Cornell University in Ithaca/New York ein einzelnes Kobaltatom benutzen, verwenden die Forscher von der Harvard University in Cambridge/Massachusetts einen Komplex von zwei Vanadiumatomen. Die organischen Moleküle, die die Atome jeweils umschließen, sind mit zwei Goldelektroden verbunden. Deren Abstand beträgt nur ein Nanometer. Legt man eine Spannung an die Kontakte, fließt ein Strom durch die Metallatome.

Zur Herstellung dieser extrem winzigen Strukturen schlugen die beiden Gruppen denselben Weg ein. Mit herkömmlichen lithographischen Verfahren brachten sie auf eine elektrisch isolierende Unterlage schmale Goldstege, die als Elektroden dienen sollten. Jeder wurde dann mit einem Lösungsmittel beträufelt, das die organischen Moleküle mit den Metallen enthielt. Anschließend ließ man durch jeden Steg kurzzeitig einen starken Strom fließen, der einige der Goldatome mitriß. Es bildete sich dadurch ein nur wenige Nanometer breiter Spalt, der bei einigen Stegen von einem metallhaltigen organischen Molekül überbrückt war.

Als die Forscher nun eine Spannung an die entsprechenden Goldstege legten, floß ein elektrischer Strom durch das organische Molekül und das Metallatom. Allerdings war dieser Strom extrem schwach. Die Metallatome wirkten gewissermaßen wie ein Nadelöhr, das von den Elektronen einzeln passiert werden mußte. Mit einer zusätzlichen Steuerelektrode unterhalb des Spalts ließ sich die Leitfähigkeit des Atoms verändern und dadurch der Stromfluß variieren ("Nature", Bd. 417, S. 722 und 725). Die Forscher hatten auf diese Weise einen funktionsfähigen Transistor geschaffen.

Mit ihren winzigen Schaltern konnten die Wissenschaftler einen ungewöhnliche quantenmechanischen Effekt nachweisen. Kühlte man die Transistoren auf weniger als ein Kelvin, erhöhte sich die elektrische Leitfähigkeit der Atome. Dieser sogenannte Kondo-Effekt ist von Metallen bekannt, die magnetische Verunreinigungen enthalten. Wie die Forscher bei der Untersuchung ihrer Miniaturschalter herausfanden, tauschten die in den Transistoren fließenden Leitungselektronen ihre Spins mit den Metallatomen aus. Dabei verschränkten sich die quantenmechanischen Zustände der Atome mit denen der Ladungsträger.

Je mehr Elektronen flossen, desto stärker wurde die Kopplung. Dadurch fiel es den Ladungsträgern immer leichter, das Metallatom zu passieren, wodurch sich der Widerstand des Transistors deutlich verringerte. Auf diese Weise ließ sich der Kondo-Effekt erstmals an einem einzelnen Atom studieren. Die Wissenschaftler hoffen nun, die Transistoreigenschaften der Metallatome für die Nanotechnik nutzen zu können. Allerdings wird man dazu die winzigen Schalter noch wesentlich schneller und einfacher fertigen müssen. 
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 18.06.2002, Nr. 138 / Seite 46

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