Science-Fiction-Elektronik
Molekulare Schalter: Elektroden aus Silizium besser als aus Metall
Das Ziel der molekularen Elektronik ist es, den Ladungstransport durch einzelne organische Moleküle zu steuern, die zwischen zwei Elektroden eingezwängt sind. Nicht nur Metalle, auch Halbleiter – wie Silizium – kommen in Frage. Letzteres verspricht eine größere Zuverlässigkeit des molekularen Schalters. Die Experimente laufen bei Raumtemperatur.
Die Idee, einen molekularen Transistor zu bauen, geistert seit mindestens drei Jahrzehnten durch die Fachliteratur, Experimente an organischen Molekülen zwischen Metall-Elektroden sind erst seit einigen Jahren bekannt. Schiebt man Elektronen zwischen den Atomen des organischen Moleküls hin und her, so blockieren oder erleichtern sie die Bewegung der durchzuleitenden Elektronen. Anschaulich entspricht dem ein Wasserschlauch, in dem ein Knick die Wasserströmung unterbricht.
Delokalisierte Molekülorbitale sind ein herausragendes Merkmal vieler organischer Moleküle, beispielsweise des Benzols, das heißt, die am schwächsten an das Molekül gebundenen Elektronen können frei in diesem herumschwirren. Das Verhältnis der Stromstärke im ein- zum ausgeschalteten Zustand beträgt zur Zeit nur rund drei Größenordnungen, was angesichts von mindestens sechs Größenordnungen beim MOSFET kaum beeindruckt.
Die Gemeinsamkeit zwischen dem MOSFET und einem konventionellen organischen Schalter ist die Elektrostatik: Beim MOSFET kann das Gate-Ladung aufnehmen und so den Kanal öffnen oder schließen, beim molekularen Schalter ist vergleichbares ebenso möglich – wenn auch mit hohen elektrischen Feldstärken.
Es geht jedoch eleganter: Wissenschaftler der Universität von Alberta in Kanada steuern den Ladungsfluss durch ein Molekül zwischen zwei Elektroden mit dem Ladungszustand eines Oberflächenatoms auf einer der Silizium-Elektroden, siehe die Ausgabe vom 2. Juni 2005 der Zeitschrift Nature auf Seite 658 in Band 435.
Der Vorteil: Der molekulare Schalter arbeitet zuverlässiger als bei einem Aufbau zwischen Elektroden aus Edelmetallen wie Kupfer, Silber, Gold oder Palladium. An der Grenzfläche teilen sich das Silizium und das organischen Molekül Elektronen und bilden so – anders als bei Metallen – eine kovalente Bindung. Das Ändern des Ladungszustands einer lokalisierten Punktladung an der Silizium-Oberfläche variiert das elektrostatische Feld steuert so die Leitfähigkeit eines benachbarten, an die Oberfläche gebunden organischen Moleküls. Der amerikanische Forscher Mark A. Ratner resümiert:
Die Ergebnisse der kanadischen Arbeitsgruppe legen nahe, dass sich mit gebundenen Oberflächenladungen die elektrostatische Steuerung der molekularen Schalter verbessern lässt.