Inom elektronik, ingenting fungerar utan transistorer:de är de grundläggande byggstenarna som logikkretsarna i våra datorchips bygger på. De består vanligtvis av kiselkristaller, dopad med andra typer av atomer. Ett schweiziskt/österrikiskt forskargrupp (TU Wien, universitetet i Wien, universitetet i Zürich, IBM Zurich) har nu lyckats utveckla en transistor som fungerar på ett fundamentalt annorlunda sätt och enbart består av en enda molekyl. Istället för tre elektroder, som i en konventionell transistor, denna switchmolekyl kräver bara två. Den nya nanoswitchen har nu presenterats i specialistjournalen Naturnanoteknik .

Noll eller en

"Nyckelfunktionen hos en transistor är att den kan anta två olika tillstånd, "förklarar Robert Stadler från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien (i början av projektet arbetade han fortfarande på institutionen för fysisk kemi vid universitetet i Wien). Beroende på i vilket tillstånd transistorn befinner sig, det låter antingen strömmen flöda eller inte. En konventionell transistor av kiselkristaller har därför tre kontakter:strömmen försörjs av en av dessa, och kan flyta in i den andra; om detta verkligen händer eller inte beror på spänningen som appliceras vid den tredje kontakten, som är känd som "grindkontakt".

För att rymma allt fler transistorer i ett allt mindre område, transistorer har fortsatt att minska i storlek under de senaste decennierna. Detta har drastiskt förbättrat effektiviteten inom elektronik, men gör, dock, för med sig allt större tekniska problem. Med konventionell kiselteknologi, fysiska begränsningar påträffas som ett resultat. "Med extremt små kristaller har du inte längre tillräcklig kontroll över de elektroniska egenskaperna, särskilt om bara ett litet antal dopningsmedel återstår och portens isolerande skikt tillåter allt mer läckage, "förklarar Stadler." Men om du byter från kristaller till organiska molekyler på nanoskala, du har då nya möjligheter att ändra transportegenskaperna. "

Från molekyl till transistor

Vid universitetet i Zürich, kemister har därför syntetiserat organometalliska molekylstrukturer utrustade med individuella metallatomer av järn, rutenium eller molybden. Dessa designmolekyler, som bara är cirka två och en halv nanometer lång, ansluts sedan noggrant med två guldkontakter vid IBMs forskningslabb i Rüschlikon innan spänning kan appliceras på dem.

För en av de molekyltyper som testats, som har en molybdenatom placerad i kärnan, några ganska anmärkningsvärda egenskaper observerades:på samma sätt som en kiseltransistor, denna molekyl växlar fram och tillbaka mellan två olika tillstånd, som skiljer sig åt med tre storleksordningar när det gäller deras konduktivitet. Komplexa datasimuleringar krävdes för att förstå den bakomliggande processen; dessa genomfördes av Robert Stadler och hans doktorand Georg Kastlunger vid Wien Scientific Cluster (VSC). Detta gjorde att mekanismen kunde avkodas på kvantfysisk nivå.

"Direkt på molybdenatomen finns ett visst utrymme som kan upptas av en elektron, "säger Robert Stadler." Mängden ström som kan flöda genom molekylen vid en viss spänning beror på om det faktiskt finns en elektron som upptar detta utrymme eller inte. "Och detta kan i sig styras. Om utrymmet är upptaget eller inte." , relativt liten ström kommer att flöda vid en låg spänning. Vid en högre spänning, dock, elektronen kan lossna från sin speciella plats på molybdenatomen. Som ett resultat, systemet växlar till ett nytt tillstånd med konduktivitet förbättrad med en faktor på cirka tusen, orsakar en kraftig ökning av strömflödet. Både en omkopplings- och urvalsprocess kan därför utföras via de två guldkontakterna, mellan vilken molekylen är fixerad. En tredje elektrod, som vanligtvis krävs för en konventionell transistor, är inte längre nödvändigt, vilket förenklar kopplingsprocessen avsevärt.

Teknik för framtidens chips

Själva tekniken, dock, är fortfarande för dyrt för massproduktion för kommersiella datorchips. Det är därför experimenten utfördes vid låga temperaturer och i ett extremt högt vakuum. Dock, IBM arbetar redan med konstruktioner för att införliva flera av dessa molekyler i nanoporer på ett kiselchip, så att de fungerar under normala miljöförhållanden vid rumstemperatur. "Detta skulle vara enklare och våra teoretiska metoder skulle utan tvekan passa för sådana system, för, "konstaterar Stadler med tillförsikt." Kanske kan organiska molekyler med integrerade metallatomer leda vägen till extremt små switchar för nya lagringssystem; hur som helst, det finns potential för spännande applikationer, särskilt eftersom utelämnandet av den tredje elektroden möjliggör oöverträffad integrationstäthet. "