Physiker der Humboldt-Universität Berlin sind der ultimativen Grenze für elektronische Bauteile einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Sie haben so genannte Nano-Gates erzeugt, die zur Entwicklung molekülgroßer Transistoren führen können.
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Molekülgroße elektronische Bauelemente werden bald Realität sein: Das weltweite Bestreben kleinste – also molekülgroße – elektronische Bauelemente herzustellen, ist jetzt durch eine Erfindung am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin in Adlershof einen großen Schritt voran gekommen. Der Forschergruppe um Prof. Jürgen P. Rabe ist es gelungen, durch die Verkleinerung einer Elektrode eines Transistors auf Nano-Größe molekülgroße Transistoren in greifbare Nähe zu rücken.
Bisher wurde die Größe von Molekularelektronik-Bauelementen durch die Elektroden, die den Kontakt zum Bauelemente herstellen begrenzt. Denn: Die Elektroden waren viel größer als das eigentliche Bauelement. Nun haben die Wissenschaftler einen Weg gefunden, wie man eine der drei Elektroden eines Transistors so klein wie das Bauelement selbst machen kann. Als erste Elektrode fungiert die Unterlage, auf der das Molekül liegt. Die zweite Elektrode bildet eine nadelfeine Spitze. Die große Neuheit: es ist jetzt gelungen, ein Molekül als dritte Elektrode anzudocken. Das angedockte Molekül realisiert die „Kontrolleinheit“ des Transistors (Gate) und ist etwa 100 mal kleiner als bei allen Versuchen zuvor. Wichtigstes Resultat der Experimente: Der Transistor funktioniert.
Von der Mikro- zur Nano-Elektronik
„Seit meiner Doktorarbeit stellte ich mir vor, dass es molekülgroße Bauelemente mit den entsprechend kleinen Elektroden geben muss“, resümiert Prof. Rabe den Forschungserfolg seines Teams. „Jetzt hat Frank Jäckel, Doktorand an meinem Lehrstuhl, mit den entscheidenden Experimenten diese Idee umsetzen können. Aus meiner Sicht ist dies ein wichtiger Schritt auf dem Weg von der Mikro- in die Nano-Elektronik.“ Die Erfindung der Nano-Gates basiert auf der engen Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe um Prof. Rabe am Institut für Physik mit Prof. Klaus Müllen und seiner Arbeitsgruppe vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, das den für die Experimente notwendigen chemischen Teil der Forschung übernahm.
Der Nutzen Mögliche Anwendungen des beobachteten Effekts sind in der Display-Technologie bei der Verbesserung organischer Licht-Emittierende Dioden („OLED“) und für effizientere organische Solarzellen denkbar. Der Effekt könnte außerdem verwendet werden, um (bio-)chemische Sensoren zu entwickeln, die bereits auf einzelne Moleküle empfindlich reagieren, wodurch neue, hochempfindliche Verfahren für die Umwelt- und Bioanalytik entwickelt werden könnten.
DNA-Moleküle manipulieren
Darüber hinaus hat der Lehrstuhl von Prof. Rabe noch ein weiteres Verfahren zum Patent angemeldet, das es erstmals erlaubt, einzelne DNA-Moleküle, die Träger der Gene, auf festen Oberflächen zu „manipulieren“. Mit diesem Verfahren können DNA-Moleküle auf der Unterlage gestreckt, gebogen und verschoben werden. Das Wirkungsprinzip besteht darin, die Unterlage so zu modifizieren, dass einerseits einzelne Makromoleküle zwar hinreichend stark auf der Unterlage festgehalten werden, um nicht von alleine über die Unterlage zu „diffundieren“, andererseits aber hinreichend locker fest hängen, um mit einer feinen Spitze verschoben, gebogen oder gestreckt werden zu können.
Eine Anwendungsmöglichkeiten für das Verfahren könnte die Entwicklung von „DNA-Chips“ zur DNA-Analyse sein. Allgemeiner formuliert: von „Molecular Chips“ zur Analyse von (Bio-)Makromolekülen. Hiermit ließen sich möglicherweise erstmalig Schaltkreise aus einzelnen Makromolekülen für eine zukünftige molekulare Elektronik aufbauen.
(idw – Humboldt-Universität zu Berlin, 12.05.2004 – DLO)
