Einzelatom-Transistor: Klein, kleiner, kleiner geht nicht

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

In vielen Bereichen unseres Lebens erntet das „Größte“ die meisten Lorbeeren. Nicht so in der Elektronik. Dort werden die Zwerge zu Riesen.

Seit Jahren liefern sich die Ingenieure der University of Mischigan und von IBM ein Gefecht um den Bau des kleinsten Computers der Welt. Letzten Monat zog Michigan denkbar knapp an IBM vorbei. Der vollfunktionsfähige Rechner kommt nun mit einer Kantenlänge von nur 0,3 Millimeter aus. Noch im Februar 2018 hatte IBM mit einem salzkorngroßen Gerät die Nase vorne.

Am Ende der Miniaturisierung sind dagegen die Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) angekommen. Ihr Einzelatom-Transistor schaltet elektrischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines Atoms. Damit könnte er zukünftig erheblich zur Energieeffizienz in der Informationstechnologie beitragen. Denn mit dem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um den Faktor 10 000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen. Bedenkt man, dass sich mittlerweile auf einem für wenige Euro erhältlichen USB-Speicherstick bereits mehrere Milliarden Transistoren befinden, wird das Potential deutlich.

Einzelatom-Transistor bei Raumtemperatur

Professor Dr. Thomas Schimmel vom KIT arbeitet seit knapp fünfzehn Jahren an atomaren Transistoren. Das zeigt, wie langwierig Forschung in diesen Skalenbereichen ist. Der prinzipielle Aufbau aus der Anfangszeit hat sich dabei jedoch nicht geändert: Zwei winzige Metallkontakte lassen eine Lücke in der Breite eines Metallatoms. Über einen elektrischen Steuerimpuls wird nun ein einziges Silberatom in diese Lücke geschoben und damit der Stromkreis geschlossen. Der umgekehrte Vorgang unterbricht dagegen den Stromkreis wieder. So schaltet der kleinste Transistor der Welt Strom über die kontrollierte reversible Bewegung eines einzigen Atoms. Dafür benötigt er – anders als herkömmliche quantenelektronische Bauteile – keine extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Vielmehr funktioniert er bereits bei Raumtemperatur, was einen entscheidendenden Vorteil für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten darstellt.

Mit dem Einzelatom-Transistor hatten die Forscher am KIT einen technologisch völlig neuen Ansatz verwirklicht. Er besteht nämlich ausschließlich aus Metall und kommt ohne Halbleiter aus. Die Folge davon sind extrem niedrige elektrische Spannungen und damit ein extrem niedriger Energieverbrauch.

Bisher war der Einzelatom-Transistor auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen. Nun funktioniert der Transistor erstmals auch in einem festen Elektrolyten. Der durch Gelieren eines wässrigen Silberelektrolyten mit pyrogenem Siliziumdioxid entstandene Gel-Elektrolyt verbindet dabei die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und verbessert damit sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung des Einzelatom-Transistors.

Originalpublikation
Fangqing Xie, Andreas Peukert, Thorsten Bender, Christian Obermair, Florian Wertz, Philipp Schmieder, and Thomas Schimmel: Quasi-Solid-State Single-Atom Transistors. Advanced Materials. Adv. Mater. 2018, 30, 1801225. DOI: 10.1002/adma.201801225.

 


Erfahren Sie mehr über die Welt der Transistoren in den Hallen A4/B4–5/C3–6.

 

 

 

 

Einzelatom-Transitor (Bild: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT) )

Der kleinste Transistor der Welt schaltet Strom mit einem einzigen Silberatom. (Bild: Arbeitsgruppe Professor Thomas Schimmel/KIT).