Molekül-Schalter für kleinste Transistoren

Schweizerische Forscher konnten die Leitfähigkeit eines organische Farbstoff-Moleküls gezielt ändern, ohne die äußere Form dieses molekularen Schalters zu verändern.

Rüschlikon (Schweiz) – Ein einziges Molekül reicht als Schalter für zukünftige Chips jenseits der Siliziumära aus. Nach mehreren Ansätzen für solche molekularen Schaltkreise, konnten schweizerische Forscher nun die Leitfähigkeit eines Naphthalpcyanin-Moleküls, einem organischer Farbstoff, gezielt ändern. Da dabei erstmals die äußere Form dieses molekularen Schalters vollständig erhalten bleibt, sei diese Technologie für den Aufbau zahlreicher Schaltkreise innerhalb eines Molekülchips geeignet. Über ihr Experiment berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature“.

„Diese Klasse von Molekülen kann als Basisbaustein für komplexere molekularer Module wie zum Beispiel logische Schaltkreise genutzt werden“, schreiben Peter Liljeroth und seine Kollegen Jascha Repp und Gerhard Meyer vom IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich. Mehrere Voraussetzungen erfüllte ihr Molekülschalter: Der Schaltprozess ist streng lokalisiert, reversibel und verursacht keine störende Formänderung des Moleküls.

Liljeroth deponierte dazu ein Naphthalpcyanin-Molekül auf einer isolierenden Schicht aus Kochsalz, Rubidiumiodid oder Xenon, die auf einem Träger aus einkristallinem Kupfer aufgebracht wurde. Bei Temperaturen von etwa minus 268 Grad Celsius näherten sie sich diesem Aufbau mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM). Für den Schaltprozess variierten sie die Spannungsdifferenz um bis zu zwei Volt zwischen der STM-Spitze und der leitfähigen Kupferunterlage. Dabei werden Elektronen über einen Tunnelprozess in das Molekül injiziert. Die Folge ist eine Umlagerung von je zwei Wasserstoffatomen inmitten des Naphthalpcyanin-Moleküls.

Diese so genannte Tautomerisation führt zu einer messbaren Veränderung der Leitfähigkeit des Moleküls zwischen etwa 1,5 und knapp 2,5 Picoampère. Im Prinzip lässt sich dieser Unterschied für einen Unterscheidung zwischen den digitalen Basiswerten „0“ und „1“ nutzen. Mit bis zu 75.000 Schaltprozessen konnten die Forscher auch die Umkehrbarkeit dieser Umlagerung von Wasserstoffatomen belegen. In weiteren Experimenten zeigte sich, dass das Schalten auch ohne direkten Kontakt über die Elektronen-Injektion von benachbarten Naphthalpcyanin-Moleküle aus möglich war.

Abb.: Zum Schalten variiert man die Spannungsdifferenz zwischen der Messspitze eines Rastertunnelmikroskops und einer leitfähigen Kupferunterlage um bis zu zwei Volt. Dabei werden Elektronen über einen Tunnelprozess in das Molekül injiziert. (Quelle: IBM)

Bis zu einem rechnenden Chip auf der Basis einzelner Moleküle ist es trotz dieses Erfolgs noch ein sehr langer Weg. So müssten Moleküle in großer Anzahl auf einer Oberfläche deponiert werden, die auch bei Raumtemperatur dieses Schaltverhalten zeigen. Die nächste Herausforderung ist es, aus den einzelnen schaltenden Molekülen komplexere, logische Schaltkreise aufzubauen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Peter Liljeroth et al., Current-Induced Hydrogen Tautomerization and Conductance Switching of Naphthalocyanine Molecules, Science 317, 1203 (2007).
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/317/5842/1203
• IBM-Forschungslabor, Rüschlikon:
  http://www.zurich.ibm.com/uebersicht.html

Weitere Literatur:

• C. P. Collier et al., Science 289, 1172 (2000).
• F. Moresco et al., Phys. Rev. Lett. 86, 672 (2001).
• X. H. Qiu, G. V. Nazin, W. Ho, Phys. Rev. Lett. 93, 196806 (2004).
• V. Iancu, S.-W. Hla, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 13718 (2006).