Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Molekül-Transistor für die Quantenwelt

13.07.2015

Einem internationalen Forscherteam unter Leitung des Paul-Drude-Instituts ist es gelungen, einen Transistor aus einem einzigen Molekül zu bauen. Dieser misst nur eineinhalb Nanometer und hat quantenmechanische Eigenschaften. Damit können die Forscher grundlegende physikalische Erkenntnisse gewinnen, die für weitere Schritte zur Elektronik in der Quantenwelt dienen. Ihre Ergebnisse sind in Nature Physics (August 2015) erschienen.

Transistoren als grundlegende Bauelemente für die Mikroelektronik werden immer kleiner. Das Ausgangsmaterial ist in der Regel ein Halbleiter.


Einzelnes Phthalozyanin-Molekül, das auf einer Indium-Arsenid-Oberfläche angelagert ist und von zwölf Indiumatomen umgeben wird.

Mit zwei Elektroden (Source und Drain) lässt sich eine Spannung anlegen, so dass Strom im Halbleiter fließt, mit einer weiteren Steuerelektrode (Gate) lässt sich der Fluss der Elektronen beeinflussen. So kann man mit einem Transistor den Strom an- und abschalten sowie die Stärke regeln. Dabei fließen im Halbleiter Abermillionen von Elektronen, die sich als geladene Teilchen beschreiben lassen.

Eine ähnliche Transistorfunktion auf einer Größenskala von einigen zehn bis hundert Nanometern erhält man durch einen sogenannten Quantenpunkt. Dieser besteht aus hunderten bis tausenden Atomen, die in Form eines winzigen Halbleiter-Kristalls auf einem geeigneten Substrat abgeschieden werden. Bei einem solchen Transistor können die Elektronen nur noch diskrete Energieniveaus annehmen.

Stromfluss kommt dann zum Beispiel dadurch zustande, dass ein einzelnes Elektron von der Source-Elektrode zum Halbleiter-Quantenpunkt springt, und von dort weiter zur Drain-Elektrode. Das nennt man Einzelelektronentunneln.

Mit einer zusätzlichen Gate-Elektrode kann man das Niveau verschieben und beeinflusst damit die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch den Halbleiter hindurchkommen und somit die Stromrate. In diesen Dimensionen der Quantenphysik besitzen die Elektronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften.

Allerdings sind herkömmliche Quantenpunkte nicht absolut identisch, da sie durch das Abscheiden der Atome auf einem Substrat mit den Unwägbarkeiten eines statistischen Wachstumsprozesses behaftet sind. Das Forscherteam wollte ein kleines System aufbauen, von dem ganz genau bekannt ist, wie es aussieht. Ihre Idee: Sie verwenden ein organisches Molekül als Quantenpunkt.

Dieses ist chemisch genau definiert, und auch ein Molekül hat immer diskrete Zustände in Analogie zum Quantenpunkt. Das Knifflige an der Sache besteht darin, die Kontakte und die Steuerelektrode an ein 1,3 Nanometer großes Molekül anzubringen.

Es gibt schon verschiedene Techniken, wie etwa die Methode der Bruchkontakte. Dafür wird ein dünner Draht immer wieder sehr präzise an derselben Stelle gebogen, bis er bricht. Befindet sich der Draht in einer Flüssigkeit mit Molekülen, kann mit Glück genau ein Molekül die Bruchstelle überbrücken. Dafür sind allerdings sehr viele Versuche nötig, und man kann hinterher auch nicht mit atomarer Auflösung nachschauen, wie das Molekül auf den Kontakten sitzt.

Der Forschergruppe um Stefan Fölsch vom Paul-Drude-Institut ist es nun gelungen, einen Molekül-Transistor mit atomarer Präzision aufzubauen. Auf der Oberfläche eines Indium-Arsenid-Kristalls haben die Physiker ein organisches Phthalocyanin-Molekül abgeschieden. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM), mit der man normalerweise die Oberfläche abtastet, um sie abzubilden, positionierten sie anschließend einzelne positiv geladene Indiumatome um das Molekül herum auf die Kristalloberfläche.

Und schon war der Mini-Transistor fertig: Als Elektroden fungieren zum einen die Kristalloberfläche, zum anderen die STM-Spitze. Die Steuerspannung wird geregelt durch Verschieben der Indiumatome. Stefan Fölsch berichtet: „Wir wissen ganz genau, wie die Kontakte und die Gate-Elektrode angelagert sind, und wir können mit atomarer Präzision die Steuerspannung kontrollieren.“

Und die Physiker haben auch gleich ein neues Phänomen beobachtet, das beim Halbleiter-Quantenpunkt nicht auftritt: Das Molekül sitzt, anders als die Atome eines Quantenpunktes, nicht fest auf der Oberfläche, sondern es kann sich drehen. Der Ladungszustand und die Rotation beeinflussen sich gegenseitig, was zu einer neuartigen Strom-Spannungs-Charakteristik des Transistors führt.

Eine Bauanleitung für einen Molekültransistor zur Herstellung eines elektronischen Bauelements liefern die Forscher damit nicht. Erst einmal geht es darum, die grundlegenden physikalischen Prozesse zu verstehen, die eine Quantenelektronik basierend auf einzelnen Molekülen überhaupt erst ermöglichen.

Abb. 1: Einzelnes Phthalozyanin-Molekül, das auf einer Indium-Arsenid-Oberfläche angelagert ist und von zwölf Indiumatomen umgeben wird. Die Atome sind elektrisch geladen und wirken so als Steuerelektrode des Einzelmolekültransistors.

Publikation
J. Martínez-Blanco1*, C. Nacci1*, S. C. Erwin2, K. Kanisawa3, E. Locane4*, M. Thomas4*, F. v. Oppen4, P. W. Brouwer4, S. Fölsch1, Gating a single-molecule transistor with individual atoms, Nature Physics, volume 11, issue 8 (2015)
1 Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Germany
2 U.S. Naval Research Laboratory, United States
3 NTT Basic Research Laboratories, Japan
4 Freie Universität Berlin, Germany

* Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), SFB 658

DOI: 10.1038/NPHYS3385

Kontakt
Dr. Stefan Fölsch
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
Hausvogteiplatz 5-7
10117 Berlin
phone: +49 30 20377 459
email: foelsch@pdi-berlin.de

Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.pdi-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen
17.02.2017 | Universität Konstanz

nachricht Zukunftsmusik: Neues Funktionsprinzip zur Erzeugung der „Dritten Harmonischen“
17.02.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Im Focus: Sensoren mit Adlerblick

Stuttgarter Forscher stellen extrem leistungsfähiges Linsensystem her

Adleraugen sind extrem scharf und sehen sowohl nach vorne, als auch zur Seite gut – Eigenschaften, die man auch beim autonomen Fahren gerne hätte. Physiker der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Welt der keramischen Werkstoffe - 4. März 2017

20.02.2017 | Veranstaltungen

Schwerstverletzungen verstehen und heilen

20.02.2017 | Veranstaltungen

ANIM in Wien mit 1.330 Teilnehmern gestartet

17.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovative Antikörper für die Tumortherapie

20.02.2017 | Medizin Gesundheit

Multikristalline Siliciumsolarzelle mit 21,9 % Wirkungsgrad – Weltrekord zurück am Fraunhofer ISE

20.02.2017 | Energie und Elektrotechnik

Wie Viren ihren Lebenszyklus mit begrenzten Mitteln effektiv sicherstellen

20.02.2017 | Biowissenschaften Chemie