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News: Dünner geht es nimmer

Die Miniaturisierung elektronischer Geräte schreitet durch neue Entwicklungen der Nanotechnologie immer weiter voran. Doch irgendwann ist eine unüberwindliche Grenze erreicht. Ein internationales Forscherteam mit deutscher Beteiligung hat die ersten Experimente für eine Zukunft unternommen, in der die Verbindungen zwischen zwei Bauteilen nur noch ein einzelnes Atom dick sind.
In Science vom 9. Juli 1998 beschreiben Elke Scheer von der Universität Karlsruhe und ihr multinationales europäisches Forscherteam, wie sie einzelne Atome von vier verschiedenen Metallen auf ihre leitenden Eigenschaften hin untersucht haben.

Es ist noch gar nicht so lange her, da füllten Computer ganze Räume aus – heute tragen wir sie als Armbanduhren. Es gab Zeiten, in denen einfache Schaltgeräte schwere, große und auch teure Vakuumröhren erforderten. Dann betrat der Transistor die Bühne. Heute messen Transistoren nur noch wenige Mikrometer. Doch die Forscher streben eine weitere Miniaturisierung auf ein Tausendstel des bisher Möglichen an. Sie wollen elektronische Komponenten mit den Ausmaßen von Atomen und Molekülen erstellen. Bisher ist es ihnen gelungen, einzelne "Nanoröhren" aus Kohlenstoff als Transistor und kugelförmige Buckminsterfullerene als Verstärker einzusetzen. "Eine ganz neue Klasse elektronischer Geräte auf der Basis einzelner Atome oder Moleküle befindet sich jetzt innerhalb unserer technologischen Möglichkeiten", schreibt Lydia L. Sohn von der Princeton University in einem Begleittext zu dem Science-Artikel. "Das bedeutet eine aufregende Zeit für Physik, Technik, Werkstoffkunde, Chemie, ja sogar für die Molekularbiologie."

Ihre Kontakte aus nur einem Atom produzierten Scheer und Kollegen mit Hilfe eines Raster-Tunnelmikroskops. Normalerweise werden damit Oberflächenstrukturen untersucht. Dabei mißt eine äußerst feine Spitze die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche. Die entstehenden Signale werden von einem Computer graphisch dargestellt, so daß ein Bild mit atomarer Auflösung entsteht.

Um einen elektrischen Kontakt herzustellen, der zum Beispiel nur aus einem einzelnen Bleiatom besteht, wird die Bleispitze des Mikroskops wiederholt in eine Bleioberfläche getaucht. Beim Herausziehen wird das Metall wie geschmolzener Käse verzerrt. Während dieser Streckung wurde die Leitfähigkeit des Kontaktes gemessen. Sie fiel jedoch nicht gleichmäßig ab, wie es von makroskopischen Leitern bekannt ist (weil sich der gleiche Strom durch einen stetig kleiner werdenden Metallquerschnitt zwängen muß), sondern in diskreten Schritten. Dem liegen die manchmal recht seltsam anmutenden Quanteneigenschaften zugrunde, die im Bereich der winzigen Dimensionen vorherrschend werden. Kurz bevor der Bleifaden völlig abriß, bildete er einen Draht von nur einem Atom im Durchmesser, dessen elektrische Leiteigenschaften gemessen werden konnten. Die Art und Weise, mit der die Leitfähigkeit abnahm, spiegelte die elektronische Struktur des Metalls wider.

Die Forscher bestimmten diese grundlegenden Eigenschaften bei so unterschiedlichen Elementen wie Aluminium, Niob und Gold. Für Aluminium und Gold präparierten sie die Sollbruchstellen mittels Lithographie. Prinzipiell sollte es demnach möglich sein, Leiterplatten auf Einzel-Atom-Basis herzustellen.

Doch der vielleicht interessanteste Aspekt ist, daß diese Einzel-Atom-Kontakte die Leitfähigkeit des gesamten Stromkreises bestimmen, in dem sie sich befinden. Anders ausgedrückt, legen die Quanteneigenschaften der Atome effektiv die Eigenschaften einer elektronischer Schaltung fest, also eines alltäglichen, "makroskopischen" Objektes.

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