21.11.2003

Schaltmatrix aus Nanodrähten

Winzige Matrizen aus Silizium-Nanodrähten zeigen einen möglichen Weg zu adressierbaren Nanosystemen.

Schaltmatrix aus Nanodrähten

Winzige Matrizen aus Silizium-Nanodrähten zeigen einen möglichen Weg zu adressierbaren Nanosystemen.

Cambridge (USA) – Es wird noch lange dauern, bis ein erster Nanodraht Strom durch kommerzielle, elektronische Module leitet. Doch das hindert Physiker nicht daran, halbleitende und metallische Nanostrukturen schon zu mikroskopischen Prototypen komplexerer Netzwerke zusammenzusetzen. So bildeten Wissenschaftler um Charles M. Lieber an der Harvard University kleine Matrizen (2×2, 4×4), in denen ein Input-Stromfluss durch senkrecht laufende Nanodrähte gezielt ein verstärktes Output-Signal durch waagerecht kreuzende Leitungen schaltet.

"Unsere Ergebnisse zeigen einen Weg, integrierte und adressierbare Nanosysteme zu realisieren", berichten Lieber und Kollegen in der Fachzeitschrift Science. Dazu ordneten sie bis zu acht halbleitende Drähte aus Silizium, umhüllt mit einer Siliziumoxidschicht, in einem regelmäßigen Netz aus Feldeffekttransistoren an (Abb. 1). Den Kreuzungspunkten der bis zu 100 Nanometer dicken Drähte kommt dabei als Kontaktstellen die Schlüsselrolle für ein Schaltsystem zu. Je nach Charakteristik der einlaufenden Spannungspulsen in den senkrecht laufenden Drähten (Input) soll ein Ausgangssignal (Output) in den waagerechten Drähten erzeugt werden.

Abb. 1 Vier senkrechte und vier waagerechte Silizium-Nanodrähte bilden das winzige Schaltsystem. (Quelle: Zhaohui Zhong/Harvard University)

Damit auf einen Spannungspuls durch Input-Draht "1" nicht alle vier gekreuzte Leitungen (Out 1, ..., Out 4) mit einem Output-Signal reagieren, veränderten die Forscher die Kontakteigenschaften an einzelnen, ausgewählten Kreuzungspunkten: Durch eine chemische Reaktion auf der Siliziumoxid-Oberfläche der diagonalen Kontaktstellen (In 1/Out 1, In 2/Out 2, ..., In n/Out n) mit einer Lösung aus Tetraethyl-Ammoniumchlorid in Ethanol verringerte sich hier die schaltende Schwellenspannung von 5 auf 1,5 Volt. Läuft nun je ein Spannungspuls (2,5 V) durch die einzelnen Input-Drähte, reagiert das Schaltsystem mit einem entsprechenden, auf drei Volt verstärktem Signal in jeweils nur einem Output-Draht (Abb. 2). Obwohl diese Schaltung mit den chemisch "adressierten" diagonalen Kreuzungspunkten noch relativ primitiv erscheint, zeigt es die Möglichkeit, Ausgangssignale durch beliebige Kombinationen von Eingangspulsen zu steuern.

Abb. 2 Läuft ein Spannungspuls von 2,5 V durch die einzelnen Input-Drähte (blaue Kurven), reagiert das Schaltsystem mit einem entsprechenden, auf drei Volt verstärktem Signal in jeweils nur einem Output-Draht (rote Kurven). (Quelle: Zhaohui Zhong/Harvard University)

In ersten Versuchen ließen sich diese Schaltvorgänge bis zu einige Hundert Mal reproduzieren. Das filigrane Netzwerk erwies sich zumindest für eine gute Woche als chemisch stabil. Lieber und Kollegen sind fest davon überzeugt, dass sich im Prinzip weitaus größere Matrizen aus Nanodrähten herstellen lassen. Lässt sich die Empfindlichkeit dieser nanokleinen, logischen Module gegen chemische Alterungsprozesse in den Griff bekommen, könnte hier eine miniaturisierte Alternative zu klassischen Transistor-Feldern liegen, wie sie beispielsweise für die Ansteuerung der Bildpunkte in Flachbildschirmen genutzt werden. Für zukünftige Anwendungen haben die Forscher dabei Regelungssysteme für Nanosensoren, Analysechips oder gar nanooptische Elemente zu Datenverarbeitung im Auge.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • Y. Huang, X. Duan, Q. Wei, C. M. Lieber, Science 291, 630 (2001). 
  • N. A. Melosh et al., Science 300, 112 (2003). 
  • Y. Chen et al., Nanotechnology 14, 462 (2003). 
  • D. Whang, S. Jin, Y. Wu, C. M. Lieber, Nano Lett. 3, 1255

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