Miniaturisierung im Grenzbereich IBM entwickelt und erforscht speicherfähige Nano-Moleküle

Redakteur: Stephan Augsten

Forschern des IBM-Forschungszentrums im Schweizer Rüschlikon ist es gelungen, ein einzelnes Molekül zwischen zwei Ladungszuständen hin- und herzuschalten. Mit dieser Technik könnte die Datenspeicherung weiter miniaturisiert werden.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Experten gehen davon aus, dass die klassische CMOS-Technologie (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) auf Siliziumbasis ihre unüberschreitbare physikalische Grenze in etwa zehn bis 15 Jahren erreicht. Gegenwärtig arbeiten die Chipdesigner mit Strukturbreiten von etwa 40 Nanometern (ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter), eine weitere Miniaturisierung bis unter zehn Nanometer ist nach heutigen Maßstäben undenkbar, da schon heute die Grenzschichten in Transistoren nur noch aus wenigen Atomschichten bestehen.

Moore’s Law – also die Annahme, dass die Transistormenge auf Halbleiterchips sich alle 18 Monate verdoppelt – könnte aber dank Heike Riel und Emanuel Lörtscher in ferner Zukunft umgangen werden. Entsprechend den „0“- und „1“-Zuständen, auf denen die Datenspeicherung basiert, konnten die IBM-Wissenschaftler ein organisches Molekül wortwörtlich unter Strom setzen und wieder entladen.

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Steuerbares Nano-Speicherelement

Mittels wiederholter Schreib-Lese- und Lösch-Lese-Zyklen ließ sich außerdem nachweisen, dass die beiden Ladungszustände stabil sind und sich der jeweilige Bit-Status zerstörungsfrei auslesen lässt. Dieses Einzel-Molekül-Speicherelement war laut Riel und Lörtscher über mehr als 500 Schaltzyklen stabil und hatte Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich.

Um zukünftig das Molekül elektronisch zu schalten, ist es notwendig einen elektronischen Kontakt zu entwickeln – das ist denkbar kompliziert, da er nur wenige Nanometer groß sein darf. Den IBM-Wissenschaftlern ist es mit einer raffinierten Methode trotzdem gelungen: Auf einem isolierenden Substrat beugten sie mechanisch einen Metallsteg bis zu seinem Bruch. Das Ergebnis waren Elektroden mit Spitzen von atomarer Größe. Mit Hilfe der so genannten „mechanically controllable break-junction“ (MCBJ) kann die Lücke zwischen den Elektronenleitern mit Picometer-Genauigkeit (ein Tausendstel eines Nanometers) gesteuert werden.

Die Zeit nach CMOS

„Der Hauptvorteil der Ausnutzung von Transporteigenschaften auf molekularem Maßstab ist, daß diese fundamentalen Bausteine wesentlich kleiner als heutige CMOS-Elemente sind“, erläutert die leitende Forscherin Heike Riel. Mit einer Größe von nur ungefähr 1,5 Nanometern sind die speziell entwickelten Moleküle hundertmal kleiner, als ein aktuelles CMOS-Element.

Darüber hinaus erzeugt chemische Synthese laut Riel völlig identische Moleküle, die im Prinzip Bausteine ohne Varianz sind. „Dies erlaubt uns, ein bekanntes Problem zu umgehen, das CMOS-Elemente betrifft, wenn sie auf immer kleinere Dimensionen geschrumpft werden. Zusätzlich hoffen wir, noch weitere, bisher unbekannte Eigenschaften zu entdecken, die Silizium und verwandte Materialien nicht haben.“

Zur Steigerung der Computerleistung jenseits heutiger Speicherbausteine erforscht IBM diverse neuartige Konzepte und Architekturen. Kohlenstoff-Nanoröhren und halbleitende Nanodrähte scheinen sich als erstes realisieren zu lassen.

Mit ihrem winzigen Speicherelement haben die Rüschlikon-Forscher gezeigt, dass Molekularelektronik eine vielversprechende Technik für die Post-CMOS-Ära sein könnte. Jetzt brauchen wir dann langsam Antworten auf das Post-Molekül-Zeitalter

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(ID:2001108)