Frankfurter Allgemeine Zeitung, 11.07.2001

Minischalter aus Kohlenstoff

Geknicktes Nanoröhrchen als Bauteil / Einelektronen-Transistor

Die Miniaturisierung elektrischer Bauelemente schreitet unaufhaltsam voran. Daß sich aus einem einzelnen metallischen Nanoröhrchen ein winziger Schalter fertigen läßt, der mit einzelnen Elektronen arbeitet und sogar bei Raumtemperatur funktioniert, haben jetzt Wissenschaftler der Technischen Universität Delft in den Niederlanden gezeigt. Sie verwendeten für den Schalter ein einwandiges Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, das einen Durchmesser von etwa einem und eine Länge von rund zwanzig Nanometern besaß.

Bei dem Minischalter handelt es sich um einen sogenannten Einelektronen-Transistor. Während ein herkömmlicher Transistor für einen Schaltvorgang mindestens einige hunderttausend Elektronen benötigt, schaltet das winzige Bauteil mit jedem zu- und abfließenden Teilchen. Der Großteil der Einelektronen-Transistoren, die man bisher verwirklicht hat, besteht aus einer nur wenige Nanometer großen Ansammlung von Atomen - einem Quantenpunkt -, die von zwei Kontakten umgeben ist.

Auf dem Quantenpunkt findet nur eine bestimmte Zahl von Elektronen Platz, ohne daß diese sich abstoßen. Will man weitere Elektronen auf die Insel befördern, muß man die Coulombabstoßung überwinden. Dazu wird eine Spannung an den Quantenpunkt gelegt. Einzelne Elektronen können dann mit einem kurzen Zwischenhalt auf dem Quantenpunkt von einer zur anderen Elektrode tunneln. Damit die Elektronen nicht bereits durch geringe Wärmezufuhr auf den Quantenpunkt gelangen, muß der Einelektronen-Transistor normalerweise gekühlt werden. Dieses Hindernis versucht man dadurch zu umgehen, daß man die Quantenpunkte verkleinert. Denn je kleiner diese sind, desto weniger Platz steht den Elektronen zur Verfügung. Damit wird auch mehr Energie benötigt, will man weitere Elektronen hinzufügen. Wegen seiner Winzigkeit funktioniert der Einelektronen-Transistor der niederländischen Forscher bereits bei Raumtemperatur.

Für den Bau des Transistors verwendeten die Forscher um Cees Decker ein Nanoröhrchen, das sie mit der Abtastnadel eines Rasterkraftmikroskops an zwei Stellen knickten. Als sie dort elektrische Kontakte anbrachten, floß in dem zuvor metallischen Röhrchen kein Strom mehr. Offensichtlich blockierten die Kohlenstoffatome an den Knicken den Elektronenfluß. Das Nanoröhrchen wurde erst wieder leitend, als man eine Spannung an das Röhrchen legte. Der Strom stieg jedoch nicht gleichmäßig an wie nach dem Ohmschen Gesetz, sondern stufenförmig, wie es für einen Einelektronen-Transistor charakteristisch ist ("Science", Bd. 293, S. 76). In dem geknickten Nanoröhrchen kann ein Strom nur dann fließen, wenn es einzelnen Elektronen gelingt, die Knickstellen zu durchtunneln. Dazu benötigen die Ladungsträger aber eine bestimmte Menge Energie.

Zur Überraschung der Forscher wanderten die Elektronen nicht unabhängig voneinander durch das Nanoröhrchen, wie man das von den anderen Einelektronen-Transistoren kennt. Zwischen den Teilchen schien es eine Art "geheimer" Absprache zu geben, wie man es zuvor noch nicht beobachtet hat. Erst bei höheren Spannungswerten floß jedes Elektron für sich. Künftig wollen die niederländischen Wissenschaftler das Verfahren zur Herstellung ihres "Winzlings" vereinfachen. Derzeit schafft man gerade mal zwei Transistoren pro Tag, was für praktische Anwendungen zuwenig ist.

mli

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