Enkelt organisk molekyle kan ændres på en målrettet måde ved hjælp af en enkelt elektron

Inden for elektronik, intet fungerer uden transistorer:de er de grundlæggende byggesten, som de logiske kredsløb i vores computerchips er baseret på. De består normalt af siliciumkrystaller, dopet med andre typer atomer. Et schweizisk/østrigsk forskerhold (TU Wien, universitetet i Wien, universitetet i Zürich, IBM Zurich) er nu lykkedes med at udvikle en transistor, der fungerer på en fundamentalt anderledes måde og udelukkende består af et enkelt molekyle. I stedet for tre elektroder, som i en konventionel transistor, dette switch-molekyle kræver kun to. Den nye nanoswitch er nu blevet præsenteret i fagtidsskriftet Natur nanoteknologi .

Nul eller en

"Nøgletræk ved en transistor er, at den kan antage to forskellige tilstande, " forklarer Robert Stadler fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien (i starten af ​​projektet arbejdede han stadig på Institut for Fysisk Kemi ved Universitetet i Wien). Afhængigt af hvilken tilstand transistoren er i, enten tillader den strøm at flyde eller ej. En konventionel transistor lavet af siliciumkrystaller har derfor tre kontakter:strømmen leveres af en af ​​disse, og er i stand til at flyde ind i den anden; om dette faktisk sker eller ej, afhænger af spændingen påført ved den tredje kontakt, som er kendt som 'gatekontakten'.

For at kunne rumme stadig flere transistorer på et stadig mindre område, transistorer er blevet ved med at reducere i størrelse i løbet af de sidste par årtier. Dette har drastisk forbedret effektiviteten inden for elektronik, men gør, imidlertid, medføre stadig større tekniske problemer. Med konventionel siliciumteknologi, fysiske begrænsninger støder på som et resultat. "Med ekstremt små krystaller har du ikke længere tilstrækkelig kontrol over de elektroniske egenskaber, især hvis der kun er et lille antal dopingstoffer tilbage, og portens isolerende lag tillader stadig mere lækage, " forklarer Stadler. "Men, hvis du skifter fra krystaller til organiske molekyler på nanoskala, så har du nye muligheder for at ændre transportegenskaberne."

Fra molekyle til transistor

På universitetet i Zürich, kemikere har derfor syntetiseret organometalliske molekylære strukturer udstyret med individuelle metalatomer af jern, ruthenium eller molybdæn. Disse designer molekyler, som kun er omkring to en halv nanometer lang, forbindes derefter omhyggeligt ved hjælp af to guldkontakter på IBMs forskningslaboratorium i Rüschlikon, før spænding kan påføres dem.

For en af ​​de testede molekyletyper, som har et molybdænatom placeret i sin kerne, nogle ganske bemærkelsesværdige egenskaber blev observeret:på samme måde som en siliciumtransistor, dette molekyle skifter frem og tilbage mellem to forskellige tilstande, som adskiller sig med tre størrelsesordener med hensyn til deres ledningsevne. Komplekse computersimuleringer var nødvendige for at forstå den underliggende proces; disse blev udført af Robert Stadler og hans doktorand Georg Kastlunger ved Vienna Scientific Cluster (VSC). Dette gjorde det muligt at afkode mekanismen på et kvantefysisk niveau.

"Direkte på molybdænatomet er der et bestemt rum, som kan optages af en elektron, " siger Robert Stadler. "Mængden af ​​strøm, der kan strømme gennem molekylet ved en bestemt spænding, afhænger af, om der faktisk er en elektron, der optager dette rum eller ej." Og det kan i sig selv styres. Hvis rummet er optaget. , relativt lidt strøm vil flyde ved lav spænding. Ved en højere spænding, imidlertid, elektronen kan løsnes fra sin særlige plads på molybdænatomet. Som resultat, systemet skifter til en ny tilstand med forbedret ledningsevne med en faktor på omkring tusind, forårsager en kraftig stigning i strømstrømmen. Både en omskiftnings- og udvælgelsesproces kan derfor udføres via de to guldkontakter, mellem hvilke molekylet er fikseret. En tredje elektrode, som normalt kræves for en konventionel transistor, er ikke længere nødvendigt, hvilket forenkler ledningsprocessen betydeligt.

Teknologi til fremtidens chips

Selve teknologien, imidlertid, er stadig for dyrt at sætte i masseproduktion til kommercielle computerchips. Dette er grunden til, at eksperimenterne blev udført ved lave temperaturer og i et ultrahøjt vakuum. Imidlertid, IBM arbejder allerede på design til at inkorporere flere af disse molekyler i nanoporer på en siliciumchip, så de fungerer under normale miljøforhold ved stuetemperatur. "Dette ville være enklere, og vores teoretiske metoder ville uden tvivl være velegnede til sådanne systemer, også, " fastslår Stadler med selvtillid. "Måske kan organiske molekyler med integrerede metalatomer lede vejen til ultrasmå switche til nye lagersystemer; i hvert fald, der er potentiale for spændende applikationer, især da udeladelsen af ​​den tredje elektrode giver mulighed for uovertrufne integrationstætheder."