News: Molekularer Packman
Durch Dotierung lassen sich gezielt die Eigenschaften von Halbleitern bestimmen und elektronische Bauelemente wie Transistoren und Dioden realisieren. Nun rücken Forscher mit gleicher Absicht auf atomarem Maßstab fußballähnlichen Kohlenstoffmolekülen zu Leibe.
© (Ausschnitt)
Halbleiter sind aus der Elektronik nicht mehr wegzudenken. In Form von Dioden, Transistoren oder ganzen integrierten Schaltkreisen residieren sie in nahezu jedem Geräte, das irgendwie blinkt, Geräusche macht oder für Bewegungen sorgt. Dabei können Stoffe wie Silicium von Natur aus gar nicht mit besonders attraktiven Eigenschaften aufwarten. So hält sich beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit in Grenzen, wie bereits der Name andeutet. Warum also konnten die Materialien die Elektronik derart revolutionieren?
Das Entscheidende ist, dass sich die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern manipulieren lassen, und das öffnet Tür und Tor für regelnde Bausteine und Logikschaltkreise, wie sie im Computer zu finden sind. Versetzt man etwa Silicium – ein Element der vierten Hauptgruppe des Periodensystems – mit Phosphor, Arsen oder Antimon – alles Elemente der fünften Hauptgruppe –, dann spendiert man dem Halbleiter zusätzliche Elektronen, die nun für einen besseren Stromtransport sorgen. Das allein macht jedoch nur die halbe Magie der Halbleiter aus. So lässt sich Silicium genauso gut ein Element der dritten Hauptgruppe hinzufügen: Bor beispielsweise. Im Fall dieser Dotierung fehlen dem Halbleiter nun Elektronen. Doch auch fehlende Elektronen, Löcher also, lassen sich als Ladungsträger auffassen, nur eben positiv statt negativ wie die Elektronen. So richtig spannend wird es jedoch erst, wenn beide Halbleitersorten, die Loch-(p)- und die Elektron-(n)-dotierten, miteinander gemischt werden. Dann entsteht etwas ganz Neues: ein so genannter p-n-Übergang.
Ohne genau auf den physikalischen Mechanismus dieses Doppelpacks einzugehen, sei gesagt, dass dieser p-n-Übergang den Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Damit bildet er das Herzstück einer Diode, und auch so genannte bipolare Transistoren bauen auf zwei dieser Doppelschichten auf. Die Dotierung ermöglicht also erst all die Halbleiterbauelemente, die heute verwendet werden. Grund genug, die Methode einmal auf atomarem Maßstab an fast ebenso kleinen Proben zu probieren, dachten sich offenbar die Physiker um Ryan Yamachika von der University of California in Berkeley.
Mit der feinen Spitze eines Rastertunnel-Mikroskops verschoben die Forscher Nanometer kleine Fullerene auf einem Silber-Substrat. Dabei verleibten sich die kugeligen fußballartigen Moleküle Kalium-Atome ein, über die sie rollten – ganz so wie Packman, der sich seinen Weg durch ein Labyrinth frisst. Bis zu sieben zusätzliche Atome konnten die Kugeln aufnehmen, ohne aus allen Nähten zu platzen. Vier Kalium-Atome im Innern machten die Fullerene lediglich neun Prozent größer als ihre leeren Kameraden.
Was sich im Äußeren nicht niederschlägt, hat für das elektrische Verhalten jedoch große Bedeutung: So brachte jedes Kalium-Atom dem Kohlenstoff-60-Fulleren rechnerische 0,6 zusätzliche Elektronen. Ganzzahlig ist der Zuwachs vermutlich deshalb nicht, weil sich die Kalium-Atome an der Stelle sammeln, wo der Kohlenstoff-Ball das Silber berührt. Fullerene und Silber müssen sich also die Elektronen teilen.
Die Dotierung lässt sich Schritt für Schritt auch wieder entfernen. Wenn die Forscher die Fullerene über eine geeignete Störstelle im Silber schoben – ein Ort, an dem kein Silber-Atom saß, sondern beispielsweise ein Sauerstoff-Atom –, dann zog das genau ein Kalium-Atom aus dem Innern des Käfigs. So lässt sich durch Hinzufügen und Entfernen von Atomen eine beliebige Dotierung einstellen. Zwar war es schon vorher möglich, Fullerene zu dotieren, jedoch nicht mit so genau festzulegenden Eigenschaften, wie sie nun die atomare Manipulation erlaubt.
Kein Wunder, dass Yamachika und Co schon von einem molekularen p-n-Übergang träumen. Die Grundlage dafür scheint jedenfalls gelegt. Michael Crommie bringt es auf den Punkt: "Mit dieser Arbeit haben wir gezeigt, wie sich die Elektronen-Dotierung mit absoluter Präzision kontrollieren lässt."
Das Entscheidende ist, dass sich die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern manipulieren lassen, und das öffnet Tür und Tor für regelnde Bausteine und Logikschaltkreise, wie sie im Computer zu finden sind. Versetzt man etwa Silicium – ein Element der vierten Hauptgruppe des Periodensystems – mit Phosphor, Arsen oder Antimon – alles Elemente der fünften Hauptgruppe –, dann spendiert man dem Halbleiter zusätzliche Elektronen, die nun für einen besseren Stromtransport sorgen. Das allein macht jedoch nur die halbe Magie der Halbleiter aus. So lässt sich Silicium genauso gut ein Element der dritten Hauptgruppe hinzufügen: Bor beispielsweise. Im Fall dieser Dotierung fehlen dem Halbleiter nun Elektronen. Doch auch fehlende Elektronen, Löcher also, lassen sich als Ladungsträger auffassen, nur eben positiv statt negativ wie die Elektronen. So richtig spannend wird es jedoch erst, wenn beide Halbleitersorten, die Loch-(p)- und die Elektron-(n)-dotierten, miteinander gemischt werden. Dann entsteht etwas ganz Neues: ein so genannter p-n-Übergang.
Ohne genau auf den physikalischen Mechanismus dieses Doppelpacks einzugehen, sei gesagt, dass dieser p-n-Übergang den Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Damit bildet er das Herzstück einer Diode, und auch so genannte bipolare Transistoren bauen auf zwei dieser Doppelschichten auf. Die Dotierung ermöglicht also erst all die Halbleiterbauelemente, die heute verwendet werden. Grund genug, die Methode einmal auf atomarem Maßstab an fast ebenso kleinen Proben zu probieren, dachten sich offenbar die Physiker um Ryan Yamachika von der University of California in Berkeley.
Mit der feinen Spitze eines Rastertunnel-Mikroskops verschoben die Forscher Nanometer kleine Fullerene auf einem Silber-Substrat. Dabei verleibten sich die kugeligen fußballartigen Moleküle Kalium-Atome ein, über die sie rollten – ganz so wie Packman, der sich seinen Weg durch ein Labyrinth frisst. Bis zu sieben zusätzliche Atome konnten die Kugeln aufnehmen, ohne aus allen Nähten zu platzen. Vier Kalium-Atome im Innern machten die Fullerene lediglich neun Prozent größer als ihre leeren Kameraden.
Was sich im Äußeren nicht niederschlägt, hat für das elektrische Verhalten jedoch große Bedeutung: So brachte jedes Kalium-Atom dem Kohlenstoff-60-Fulleren rechnerische 0,6 zusätzliche Elektronen. Ganzzahlig ist der Zuwachs vermutlich deshalb nicht, weil sich die Kalium-Atome an der Stelle sammeln, wo der Kohlenstoff-Ball das Silber berührt. Fullerene und Silber müssen sich also die Elektronen teilen.
Die Dotierung lässt sich Schritt für Schritt auch wieder entfernen. Wenn die Forscher die Fullerene über eine geeignete Störstelle im Silber schoben – ein Ort, an dem kein Silber-Atom saß, sondern beispielsweise ein Sauerstoff-Atom –, dann zog das genau ein Kalium-Atom aus dem Innern des Käfigs. So lässt sich durch Hinzufügen und Entfernen von Atomen eine beliebige Dotierung einstellen. Zwar war es schon vorher möglich, Fullerene zu dotieren, jedoch nicht mit so genau festzulegenden Eigenschaften, wie sie nun die atomare Manipulation erlaubt.
Kein Wunder, dass Yamachika und Co schon von einem molekularen p-n-Übergang träumen. Die Grundlage dafür scheint jedenfalls gelegt. Michael Crommie bringt es auf den Punkt: "Mit dieser Arbeit haben wir gezeigt, wie sich die Elektronen-Dotierung mit absoluter Präzision kontrollieren lässt."
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