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Datenspeicher aus Nanodrähten

Moderne Prägetechnik für die Zukunft der Elektronik

Von Rainer Scharf

Bisher konnte die Halbleiterindustrie die elektronischen Schaltungen auf den Chips stets weiter miniaturisieren. Schon bald werden die einzelnen Bauelemente auf den Schaltkreisen weniger als 100 Nanometer (Millionstelmillimeter) groß sein und damit deutlich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Doch in einigen Jahren wird man mit den gängigen Herstellungsverfahren an eine Grenze stoßen. Neue Verfahren müssen geschaffen werden, wenn man Schaltungen mit nanometergroßen Details fertigen will. Wie die Elektronik der Zukunft aussehen könnte, läßt sich an einem Datenspeicher studieren, den jetzt Forscher in Kalifornien mit einer Prägetechnik hergestellt haben.

Der Speicher, der von den Hewlett-Packard-Forschungslaboratorien in Palo Alto in Zusammenarbeit mit der University of California in Los Angeles entwickelt wurde, enthält ein winziges Gitter aus insgesamt 16 extrem feinen Platindrähten ("Nanotechnology", Bd. 14, S. 462). Die nur etwa 40 Nanometer dicken Drähte sind in zwei aufeinanderliegenden Schichten verlegt, wobei die acht Drähte der oberen Schicht quer zu den acht Drähten der unteren Schicht liegen. An jedem der 64 Kreuzungspunkte zwischen den Drähten befindet sich eine dünne Schicht von Rotaxan-Molekülen, die sich als molekulare Datenspeicher bewährt haben.

Ein Rotaxan-Molekül hat die Form einer Hantel, um die sich ein Ring schließt. Der Ring kann sich am Hantelgriff entlangbewegen. Er wird aber von den dicken Enden der Hantel daran gehindert abzufallen. Durch einen elektrischen Spannungspuls kann der Ring von einem Ende der Hantel zum anderen bewegt werden. Je nachdem, an welchem Ende der Ring sitzt, leitet das Rotaxan den elektrischen Strom mehr oder weniger gut. Man kann somit auf diesen molekularen Datenspeicher ein Bit schreiben, es wieder auslesen und schließlich löschen. Der jetzt vorgestellte Speicher kann insgesamt 64 Bit aufnehmen und ist dabei nur ein Tausendstelmillimeter groß. Die Speicherdichte beträgt also 6,4 Gigabit pro Quadratzentimeter.

Die Forscher haben die Nanodrähte ihres Datenspeichers an elektronische Meßgeräte angeschlossen und die Funktionsweise des Speichers eingehend untersucht. Als sie die 64 Speicherelemente der Reihe nach beschreiben wollten, traten gelegentlich Fehler auf. In einem von zehn Fällen wurde nicht das gewünschte Speicherelement beschrieben, sondern ein anderes. Nach Meinung der Forscher läßt sich diese Fehlerrate jedoch noch beträchtlich verringern. Spezielle Schaltungen erlauben es zudem, die Bits schneller und sicherer auf die Speicherelemente zu schreiben und wieder von ihnen zu lesen.

So ungewöhnlich der Aufbau des neuen Datenspeichers ist, so bemerkenswert ist auch seine Herstellung. Die Forscher haben ein Prägeverfahren entwickelt, mit dem man viele Speicher gleichzeitig fertigen kann. Dazu haben sie mit einem Elektronenstrahl in einen Siliziumstempel feine nebeneinanderliegende Rillen geschnitten, so daß zwischen den Rillen Plateaus stehenblieben. Der Stempel wurde dann in eine hauchdünne Plastikschicht gepreßt, die eine Unterlage von Siliziumoxyd bedeckte. Die Plateaus des Stempels drückten in die Plastikschicht tiefe Gräben, die mit einem Ätzverfahren so weit vertieft wurden, daß die Unterlage frei lag. Anschließend wurde die Oberfläche mit Platin bedampft, das sich vor allem in den Gräben sammelte und dort als Nanodraht auf der Siliziumoxydunterlage haftenblieb. Wurde die Plastikschicht entfernt, blieben viele nebeneinanderliegende Nanodrähte aus Platin auf der Unterlage zurück.

Anschließend wurde eine dünne Schicht aus Rotaxan auf die Unterlage und die Nanodrähte aufgetragen. Mit dem Prägeverfahren erzeugten die Forscher dann eine zweite Lage von Nanodrähten, die quer zu den Drähten der ersten Lage ausgerichtet waren. Schließlich wurden alle überflüssigen Teile der Rotaxan-Schicht entfernt, die sich nicht zwischen zwei Nanodrähten befanden - und der Speicher war fertig. Da man mit dem Prägeverfahren in wenigen Schritten viele Speicher gleichzeitig herstellen kann, besteht nun die Möglichkeit einer preiswerten Massenproduktion. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 19.04.2003, Nr. 92 / Seite 34

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