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28-12-2009

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Transistor aus einem einzigen Molekül

Stromfluss durch einen Benzolring lässt sich über eine Steuerelektrode kontrollieren.

Nur aus etwa 100 Kohlenstoffatomen bestand der bisher kleinste Transistor der Welt, den vor anderthalb Jahren britische Forscher präsentierten. Doch koreanische und amerikanische Wissenschaftler können diesen Rekord-Transistor aus hauchdünnen Graphenschichten nun mit einem einzigen Molekül unterbieten. Sie konnten die elektronischen Zustände sowohl in einem Benzolring als auch in einem Oktan-Molekül über eine äußere Spannung so kontrollieren, dass sich Ströme wie in einem klassischen Transistor schalten ließen.

"Nach jahrelanger Suche konnten wir nun zeigen, dass einzelne Moleküle genauso wie Transistoren agieren können", sagt Mark Reed von der Yale University in New Haven. Der Aufbau des Molekül-Transistors, den maßgeblich die Gruppe um Takhee Lee vom Gwangju Institute of Science and Technology in Korea entwickelt haben, zeigt markante Analogien mit einem klassischen Transistor auf Silizium-Basis. So deponierten die Wissenschaftler wahlweise einen Benzolring oder Oktanring über zwei Thiol-Brücken zwischen zwei Goldelektroden (Source und Drain). Über eine dritte Elektrode (Gate) aus Aluminiumoxid ließ sich erfolgreich der Stromfluss durch die organischen Ringmoleküle steuern.

Abb.: Über eine Steuerspannung kann der Stromfluss in einem Benzolring wie in einem klassischen Transistor gesteuert werden. (Bild: Hyunwook Song and Takhee Lee)

Tiefgekühlt auf etwa minus 269 Grad Celsius analysierte das Team das Schaltverhalten. Mit Steuerspannungen von bis zu -3,3 Volt konnten sie Stromflüsse von etwa 15 Mikroampere veranlassen. Ohne eine Steuerspannung ließ sich dagegen kein nennenswerter Strom messen. Den Grund für das über äußere Spannungen beeinflussbare Leitungsverhalten sehen die Wissenschaftler in gezielt veränderten Molekülorbitalen der Benzol- bzw. Oktanringe. "Diese Demonstration belegt das Konzept für einen Molekülorbital-modulierten Ladungstransport", erläutert Lees Team.

Von der grundlegenden Bedeutung dieses Experiments für die Entwicklung zukünftiger Schaltkreise aus einzelnen Molekülen ist auch James Kushmerick vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (NIST) überzeugt. Er sieht in dieser Arbeit einen Meilenstein bei der Erforschung des Ladungstransports in molekularen Systemen. In absehbarer Zeit werden solche Molekül-Transistoren jedoch nicht zur ernsthaften Konkurrenz von Silizium-Schaltkreise werden. Denn verlässliche Herstellungsverfahren für solche Nanoelektronik-Module stehen noch nicht zur Verfügung. Auch Lees Arbeitsgruppe entdeckte in über 400 Testmodulen nur ganze 35, die ein Transistor-ähnliches Schaltverhalten zeigten.

Welche Technologie in den kommenden Jahrzehnten die klassischen Silizium-Prozessoren ablösen könnte, bleibt auch weiterhin offen. Doch mit diesen Versuchen an Benzol- und Oktanringen gesellt sich eine weitere Molekülgruppe zu den bisherigen Transistor-Kandidaten aus Graphen-Schichten oder Nanoröhrchen aus Kohlenstoff.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Song et al.: Observation of molecular orbital gating. Nature 462, 1039 (2009)
http://dx.doi.org/10.1038/nature08639
Department of Materials Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology: http://ewww.gist.ac.kr/
Arbeitsgruppe Reed, Yale University:
http://www.eng.yale.edu/reedlab/

Weiterführende Literatur:

L.A. Ponomarenko et al.: Chaotic Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots. Science 320, 356 (2008)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1154663
J.M. Beebe, B.-S. Kim, J.W. Gadzuk, C.D. Frisbie, J.G. Kushmerick: Transition from Direct Tunneling to Field Emission in Metal-Molecule-Metal Junctions. Phys. Rev. Lett. 97, 026801 (2006)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.026801