Atomare Nanodrähte leiten Strom wie Kupfer
Nur ein Atom hoch und vier Atome breit – trotzdem befolgen die winzigen Leiterbahnen das Ohmsche Gesetz.
Die bislang dünnsten Nanodrähte hat ein Forscherteam in Australien hergestellt. Sie sind nur ein Atom hoch und vier Atome breit. Trotzdem besitzen die Leiterbahnen einen bemerkenswert niedrigen elektrischen Widerstand, eine Leitfähigkeit wie Kupfer und folgen dem Ohmschen Gesetz. Das ist überraschend, denn bislang hatte man erwartet, dass auf atomarer Skala Quanteneffekte den Stromfluss behindern.
Abb.: Nano-Leiterbahn aus Phosphor-Atomen auf einkristallinem Silizium. (Bild: B. Weber)
Bent Weber von der University of New South Wales in Sydney und seine Kollegen haben die winzigen Leiternbahnen erzeugt, in dem sie mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops einzelne Phosphor-Atome in regelmäßigen Abständen von weniger als einem Nanometer auf einkristallinem Silizium platzierten. Das Verfahren gewährleistete, dass die Leiternbahnen eine kristalline Struktur besaßen und atomar scharf gegen die Umgebung abgegrenzt sind
Weber und seine Kollegen haben Versuche mit fünf Leiterbahnen unterschiedlicher Breite – von 11 bis 1,5 Nanometern – vorgenommen, wobei der kleinste Wert vier Atomen entspricht. Es zeigte sich, dass der spezifische Widerstand dabei unabhängig vom Durchmesser der Bahnen war – wie bei gewöhnlichen makroskopischen Leitern – und nur etwa 0,3 Milliohm-Zentimeter betrug. Außerdem zeigten alle Nanoleiter den vom Ohmschen Gesetz beschriebenen Zusammenhang von Spannung und Stromstärke. „Die Beständigkeit des Ohmschen Gesetzes am atomaren Limit ebnet den Weg für ultrakleine klassische und quantenmechanische elektronische Bauteile“, so die Forscher.
Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Komplexität integrierter Schaltkreise alle anderthalb bis zwei Jahre. Da eine höhere Komplexität mehr elektronische Bauteile pro Fläche bedeutet, muss die Größe dieser Bauteile ständig abnehmen. Skeptiker haben deshalb vorausgesagt, dass das Mooresche Gesetz durch das Einsetzen von Quanteneffekten schon bald an seine Grenze stoßen wird.
Die Experimente von Weber und Kollegen sind somit eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie. Denn sie zeigen, dass das Limit noch lange nicht erreicht ist. Eine Verkleinerung bis in den atomaren Bereich ist möglich, ohne dass der elektrische Widerstand anwächst, bis es in den Leiterverbindungen zu Einbußen in der Funktionalität kommt. Das Mooresche Gesetz kann also wohl noch über mehrere Generationen von integrierten Schaltkreisen erfüllt werden.
Rainer Kayser
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