Doppelknick schaltet Ströme

News: Doppelknick schaltet Ströme

Elektronische Bauteile, die nur ein einzelnes Elektron zum Schalten benötigen, sollen einmal herkömmliche Transistoren ersetzen, die zur Zeit noch mit Millionen von Elektronen arbeiten. Doch bislang funktionieren die meisten Prototypen nur bei äußerst tiefen Temperaturen - was sie für viele Anwendungen uninteressant macht. Nun gelang es einigen Physikern bei Raumtemperatur, den Stromfluss durch ein Nanoröhrchen gezielt zu steuern.

Thorsten Krome

Transistoren befinden sich in unterschiedlichster Ausführung in so ziemlich jedem elektronischen Gerät, das wir aus dem Alltag kennen. Ein konventioneller Transistor hat in der Regel drei elektrische Anschlüsse, die man als Source, Drain und Gate bezeichnet. Dabei fließt der Strom zwischen Source- und Drain-Elektrode und lässt sich mit der Gate-Elektrode steuern. Dies gelingt, da es sich bei dem Material um einen Halbleiter handelt, dessen Elektronendichte sich mit der Gate-Elektrode regeln lässt. Wenige Elektronen bedeuten einen hohen elektrischen Widerstand, hingegen sorgen viele Elektronen für einen guten Stromfluss und demzufolge für einen niedrigen Widerstand.

In den letzten Jahren versuchten Wissenschaftler verstärkt so genannte Ein-Elektronen-Transistoren (SET) herzustellen, bei denen Schaltvorgänge nur über ein einzelnes Elektron abgewickelt werden. Von solchen Bauelementen verspricht man sich unter anderem einen enormen Platzvorteil, jedoch ließen durchschlagende Erfolge noch auf sich warten. Das Problem der ersten Prototypen war, dass sie nur bei sehr tiefen Temperaturen arbeiteten und dazu eine aufwändige und teure Kühlung nötig war.

Cees Dekker und seine Kollegen entwickelten an der University of Technology in Delft ein Konzept, das auch bei Raumtemperatur funktioniert. Die Forscher verwenden einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Bauelement. Bei diesen filigranen, Cannelloni-artigen Gebilden handelt es sich im Prinzip um aufgerollte Lagen Graphit. Denn wie bei dieser Modifikation des Kohlenstoffs liegt auch bei den Röhrchen eine sechseckige Gitterstruktur vor, nur dass sie in diesem Fall einen Zylinder bilden, der einige Nanometer im Durchmesser misst und mehrere Mikrometer lang sein kann.

Mit einem Rasterkraftmikroskop drückten nun die Forscher im Abstand einiger zehn Nanometer zwei Dellen in die gerade Kohlenstoffstruktur. Nachdem die Wissenschaftler das derart abgewandelte Röhrchen mit Goldkontakten versahen und den Widerstand maßen, stellten sie schnell fest, dass es nicht mehr leiten wollte – der Widerstand war mit 500 Kiloohm vergleichsweise hoch. Wenn jedoch eine Vorspannung an die Goldkontakte angelegt wurde, dann konnte der Strom wieder normal fließen. Dekker und seine Kollegen konnten die Leitfähigkeit sogar gezielt steuern, indem sie über das Silizium-Substrat eine Spannung an das Röhrchen anlegten – das entspricht der Gate-Elektrode eines normalen Transistors.

Die Forscher fanden weiterhin heraus, dass charakteristische Sprünge in der Leitfähigkeit auftraten, je nachdem, wie sie die Gate- oder Vorspannung wählten. Das ist nun ein untrügliches Zeichen für quantenmechanischen Ladungstransport. Denn offensichtlich kann ein Strom immer nur dann fließen, wenn ein Elektron die durch Knicken entstandenen Barrieren "tunnelnd" überwindet. Dazu braucht es aber eine bestimmte Energie, die ihr die angelegte Spannung verleiht.

Offenbar schaltet der Transistor der Wissenschaftler tatsächlich mit einzelnen Elektronen. Dekker meint: "Im nächsten Schritt können wir nun darüber nachdenken, diese Elemente zu einem komplexen Schaltkreis zusammenzuschließen."