Transistoren aus dem Reagenzglas

Elektronische Bauteile aus einzelnen Molekülen herzustellen, ist ein Traum der Physiker (Physik in unserer Zeit 2003, 34 (6), 272). Vielleicht könnte der polyzyklische Kohlenwasserstoff Hexabenozocoronen (HBC) ein Stück weiter helfen. Ein Team um Frank Jäckel und Jürgen Rabe an der Berliner Humboldt-Universität hat zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz aus dem bräunlichen Stoff Transistoren gemixt, die gerade mal ein Molekül groß sind.

Das Experiment ist so einfach, dass man es im Prinzip auf einem Küchentisch durchführen kann: Auf ein kleines Plättchen aus Graphit wird ein Tropfen des HBC geträufelt. HBC hat auch flüssigkristalline Eigenschaften. Der Stoff ordnet sich daher auf dem Graphit in Kristallen an, die unter dem Rastertunnelmikroskop an verbogene sechsstrahlige Seesterne erinnern. An jedem „Arm“ hängt ein Akzeptor, an den sich ein kleineres Dimethoxyanthrazen-Molekül (DMA) als Donor über Dipolbindungen anheften kann. Fertig ist der chemische Feldeffekt-Transistor (CHEM-FET): Die eine Elektrode (Drain) besteht aus der Unterlage aus Graphit, die andere Elektrode (Source) ist die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, die in den Flüssigkeitstropfen hinein ragt. Das Gate des Transistors wird durch den Akzeptor-Donor-Komplex selbst gebildet und ist so gerade mal 1 nm groß.

Bislang wird der chemische Transistor noch nicht durch Zugabe der Donoren geschaltet, sondern durch Schütteln im Reagenzglas: Die Physiker mischen Donor und Akzeptor vor dem Auftrag auf den Graphitträger auf und vergleichen die Strom-Spannungskennlinie dann mit der eines Transistors aus reinem HBC. Dabei hat sich herausgestellt, dass bereits ein einziges Donor-Molekül an einem der Seestern-Arme den Transistor schalten lässt. So ist der CHEM-FET ein idealer Sensor für chemische Stoffe. „Man muss nur irgend einen Stoff mit dem Donor markieren. Dann können wir mit dem CHEM-FET geringste Konzentrationen dieses Stoffes nachweisen“, so Rabe.

Die Physiker an der HU träumen jetzt von neuartigen Flüssigkristalldisplays, DNA-Chips und extrem kleinen Speicherchips. Um den chemischen Transistor auch elektrisch schalten zu können, muss man den Donor so einbauen, dass er sich in der Nähe der Akzeptoren befindet und auf die Akzeptoren umklappen kann. Mit elektrischem Strom könnte man dann, so die Hoffnung, Akzeptor-Donor-Komplexe je nach Wunsch ein- und ausschalten. Auch mit Licht ließe sich der chemische Transistor schalten, denn das HBC-Molekül absorbiert gerne Photonen und verändert dabei das elektrische Verhalten seiner Arme. So wurden schon vor zwei Jahren organische Solarzellen mit Hilfe von HBC gebaut.

Doch zunächst wollen Rabe und seine Kollegen mehrere Molekül-Transistoren miteinander verketten. Auf diese Weise ließen sich prinzipiell integrierte Schaltungen herstellen, die nur noch ein Zehntel der Größe eines heutigen Transistors haben. Nur die Anschlüsse dieser Schaltung – bislang noch Nadel und Graphitunterlage, dann zum Beispiel feinste Drähte aus Gold – hätten dann noch makroskopische Größe, der Rest der Schaltung wäre echte Nano-Elektronik. Und weil schon ein einzelnes Molekül pro Transistor reicht, würde ein Megabit RAM aus CHEM-FETs nur einen Bruchteil heutiger Speicherchips kosten.

Andreas Loos, Berlin


Quelle: Physik in unserer Zeit 4 / 2004

Weitere Literatur:

• F. Jäckel et al., Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 188303
• Physik in unserer Zeit
  http://www.phiuz.de