Bij elektronica, niets werkt zonder transistors:het zijn de fundamentele bouwstenen waarop de logische circuits in onze computerchips zijn gebaseerd. Ze bestaan ​​meestal uit siliciumkristallen, gedoteerd met andere soorten atomen. Een Zwitsers/Oostenrijks onderzoeksteam (TU Wien, de Universiteit van Wenen, de Universiteit van Zürich, IBM Zürich) is er nu in geslaagd een transistor te ontwikkelen die fundamenteel anders functioneert en uitsluitend uit één molecuul bestaat. In plaats van drie elektroden, zoals in een conventionele transistor, dit schakelmolecuul heeft er maar twee nodig. De nieuwe nanoswitch is nu gepresenteerd in het vakblad Natuur Nanotechnologie .

Nul of één

"Het belangrijkste kenmerk van een transistor is dat hij twee verschillende toestanden kan aannemen, " legt Robert Stadler van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien uit (aan het begin van het project werkte hij nog bij de afdeling Fysische Chemie van de Universiteit van Wenen). Afhankelijk van in welke staat de transistor zich bevindt, het laat de stroom stromen of niet. Een conventionele transistor gemaakt van siliciumkristallen heeft dus drie contacten:de stroom wordt geleverd door een van deze, en kan in de tweede stromen; of dit daadwerkelijk gebeurt of niet hangt af van de spanning die bij het derde contact wordt aangelegd, wat bekend staat als het 'poortcontact'.

Om steeds meer transistoren op een steeds kleiner oppervlak te kunnen huisvesten, transistors zijn de afgelopen decennia steeds kleiner geworden. Dit heeft de efficiëntie in de elektronica drastisch verbeterd, maar doet, echter, steeds grotere technische problemen met zich meebrengen. Met conventionele siliciumtechnologie, fysieke beperkingen worden hierdoor ondervonden. "Met extreem kleine kristallen heb je niet meer voldoende controle over de elektronische eigenschappen, vooral als er maar een klein aantal doteerstoffen overblijft en de isolerende laag van de poort steeds meer lekkage toelaat, " legt Stadler uit. "Echter, als je op nanoschaal overstapt van kristallen naar organische moleculen, je hebt dan nieuwe mogelijkheden om de transportkenmerken te veranderen."

Van molecuul tot transistor

Aan de Universiteit van Zürich, scheikundigen hebben daarom organometallische moleculaire structuren gesynthetiseerd die zijn begiftigd met individuele metaalatomen van ijzer, ruthenium of molybdeen. Deze designermoleculen, die slechts ongeveer twee en een halve nanometer lang zijn, worden vervolgens zorgvuldig verbonden met behulp van twee gouden contacten in het IBM-onderzoekslab in Rüschlikon voordat er spanning op kan worden gezet.

Voor een van de geteste molecuultypen, die een molybdeenatoom in de kern heeft, enkele vrij opmerkelijke eigenschappen werden waargenomen:vergelijkbaar met een siliciumtransistor, dit molecuul schakelt heen en weer tussen twee verschillende toestanden, die drie ordes van grootte verschillen wat betreft hun geleidbaarheid. Er waren complexe computersimulaties nodig om het onderliggende proces te begrijpen; deze werden uitgevoerd door Robert Stadler en zijn promovendus Georg Kastlunger aan de Weense Wetenschappelijke Cluster (VSC). Hierdoor kon het mechanisme worden gedecodeerd op een kwantumfysisch niveau.

"Direct op het molybdeenatoom bevindt zich een bepaalde ruimte die ingenomen kan worden door een elektron, "zegt Robert Stadler. "De hoeveelheid stroom die bij een bepaalde spanning door het molecuul kan vloeien, hangt af van het feit of er daadwerkelijk een elektron is dat deze ruimte inneemt of niet." En dit op zichzelf kan worden gecontroleerd. Als de ruimte bezet is , bij een lage spanning zal relatief weinig stroom vloeien. Bij een hogere spanning, echter, het elektron kan van zijn speciale plaats op het molybdeenatoom worden losgemaakt. Als resultaat, het systeem schakelt over naar een nieuwe toestand waarbij de geleidbaarheid met een factor duizend is verbeterd, waardoor de stroomsterkte sterk toeneemt. Zowel een schakel- als selectieproces kan dus worden uitgevoerd via de twee gouden contacten, waartussen het molecuul is gefixeerd. Een derde elektrode, zoals gewoonlijk vereist is voor een conventionele transistor, hoeft niet meer, wat het bedradingsproces aanzienlijk vereenvoudigt.

Technologie voor de chips van de toekomst

De technologie zelf, echter, is nog te duur om in massaproductie te brengen voor commerciële computerchips. Daarom zijn de experimenten uitgevoerd bij lage temperaturen en in een ultrahoog vacuüm. Echter, IBM werkt al aan ontwerpen om verschillende van deze moleculen op te nemen in nanoporiën op een siliciumchip, zodat ze functioneren onder normale omgevingsomstandigheden bij kamertemperatuur. "Dit zou eenvoudiger zijn en onze theoretische methoden zouden ongetwijfeld geschikt zijn voor dergelijke systemen, te, ' stelt Stadler vol vertrouwen. 'Misschien kunnen organische moleculen met geïntegreerde metaalatomen de weg wijzen naar ultrakleine schakelaars voor nieuwe opslagsystemen; in elk geval, er is potentieel voor opwindende toepassingen, vooral omdat het weglaten van de derde elektrode zorgt voor ongeëvenaarde integratiedichtheden."