Transistoren aus dem Reagenzglas sollen den Weg ebnen zu einer preisgünstigen Nanoelektronik.
Im Gläschen schwappt eine ölige, leicht bräunliche Flüssigkeit. Das Zeug sieht ein bisschen aus wie Whisky, ist aber teurer als der teuerste Single-Malt – 10 Milligramm Hexabenzocoronen (HBC) kosten knapp 800 Euro. Doch Physiker können mit dem teuren Stoff eine Menge anfangen: Prof. Jürgen Rabe und Frank Jäckel am Institut für Physik der Berliner Humboldt-Universität, Fachgebiet Physik von Makromolekülen, haben aus dem bräunlichen Kohlenwasserstoff Transistoren gemixt, die gerade mal ein Molekül groß sind. „Das Tolle ist, dass sich die Transistoren mit HBC viel einfacher herstellen lassen als mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die oft als Hoffnungsträger für eine künftige Nanoelektronik gehandelt werden”, schwärmt Rabe, dessen Team mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz zusammenarbeitet. „Und: Sie sind viel kleiner.”
Das Experiment ist so einfach, dass man es im Prinzip auf dem Küchentisch nachmachen kann: Auf ein kleines Plättchen aus Graphit wird ein Tropfen des Flüssigkristalls HBC geträufelt. Der Stoff bildet über dem Kohlenstoff eine Schicht aus Kristallen, die unter dem Tunnelmikroskop an verknautschte, sechsstrahlige Seesterne erinnern. An jedem Arm des molekularen Seesterns hängt ein so genannter Akzeptor aus Anthrachinon (AC), an den sich ein kleineres Molekül aus Dimethoxyanthracen (DMA) anheften kann. Dieser Stoff wirkt als Elektronenspender und geht mit den HBC-Akzeptoren bereitwillig dipolare Bindungen ein.
Fertig ist der Transistor: „Die eine Elektrode bildet die Unterlage aus Graphit, die andere Elektrode ist die feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, die in den Tropfen hineinragt. „Das ,Gate‘ des Transistors, das sein elektrisches Verhalten steuert, bildet der AC-DMA-Komplex”, erklärt Rabe. Dieses Gate ist gerade mal einen Nanometer groß – das entspricht etwa einem Hundertstel der Größe des Gates von Transistoren aus Carbon-Nanotubes.
Bislang wird der chemische Transistor noch per Pipette geschaltet: Sobald man eine geringe Menge DMA in den HBC-Tropfen gemischt hat, verbinden sich DMA und HBC und ändern dadurch das elektrische Verhalten des Flüssigkristalls. Im Prinzip genügt es, wenn sich ein einziges DMA-Molekül an einen der sechs Arme hängt.
Ein solcher Transistor kann viel mehr, als nur Strom zu schalten wie seine Kollegen aus Silizium. Er ist ein idealer Sensor für chemische Stoffe. „Man muss nur irgendeinen Stoff mit dem DMA markieren. Dann kann man geringste Konzentrationen davon nachweisen”, sagt Rabe.
Seit seiner Doktorarbeit vor 20 Jahren versucht der Physiker, Transistoren von Molekülgröße herzustellen. Damals arbeitete er unter anderem mit dem Physiknobelpreisträger Prof. Klaus von Klitzing an dem Problem. Nachdem seinem Team nun der Bau des chemischen Transistors gelungen ist, träumt er von neuartigen Displays, DNA-Chips und winzigen Speicherchips, bei denen jedes Speicherelement nur wenige Moleküle groß ist – ein Bruchteil der Größe bislang verwendeter Komponenten. „Um den chemischen Transistor auch elektrisch schalten zu können, muss man das DMA auf der Graphit-Unterlage so einbauen, dass es sich leicht zwischen zwei Positionen umklappen lässt. Mit elektrischem Strom könnte man dadurch die Komplexe je nach Wunsch ein- und ausschalten”, erläutert Rabe. Auch mit Licht ließen sich chemische Transistoren schalten, denn das Seestern-Molekül fängt gern Photonen ein und verändert so das elektrische Verhalten seiner Arme.
Doch jetzt wollen die Physiker erst einmal mehrere Ein-Molekül-Transistoren miteinander verketten. Wenn alles gut geht, erhalten sie dadurch integrierte Schaltungen, die nur ein Zehntel so groß sind wie ein einzelner Transistor heute. Nur die Anschlüsse dieser Schaltung – bislang Nadel und Unterlage aus Graphit – hätten dann noch die Größe herkömmlicher elektronischer Bauteile, der Rest wäre echte Nanoelektronik. Und billig wäre sie obendrein: Weil ein einzelnes Molekül pro Transistor reicht, könnte der Preis für ein Megabit RAM auf einen winzigen Bruchteil des heutigen Preises sinken – und das obwohl HBC so teuer ist. ■
Andreas Loos
