Einzigartiges Molekül entwickelt:
Schlüssel zu besseren Chips gefunden

Es galt als unmöglich: Forscher haben ein neues Molekül entwickelt, das Strom über bisher unerreichte Distanzen leitet - ohne Energieverlust. Damit rückt eine Lösung für das drohende Ende der Miniaturisierung von Computerchips in greifbare Nähe.

Forschungserfolg: Superleitendes Molekül für Chips

Computerchips basieren heute fast immer auf Silizium. Doch dieses Material stößt an seine Grenzen: Je kleiner die Bauteile, desto schwieriger wird es, Strom verlustfrei zu leiten. Ein Forschungsteam um Kun Wang von der University of Miami hat nun ein organisches Molekül vorgestellt, das Strom außergewöhnlich gut transportiert - sogar über vergleichsweise lange Strecken im Nanobereich.

Wir erreichen bald die physikalischen Grenzen für siliziumbasierte Elektronik, und es wird immer schwieriger, elektronische Komponenten mit den Mitteln zu miniaturisieren, die wir seit einem halben Jahrhundert verwenden

Dieses Molekül besteht aus einfachen Stoffen wie Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff, die in der Natur vorkommen. Es kann Elektronen über Distanzen von mehreren Dutzend Nanometern leiten, ohne dass dabei Energie verloren geht. Das ist besonders, denn bei organischen Molekülen nimmt die Leitfähigkeit normalerweise stark ab, je länger sie sind.


Die Forscher konnten diesen Effekt mit einer speziellen Messmethode nachweisen, dem sogenannten STM-Break-Junction-Verfahren. Dabei wird ein einzelnes Molekül zwischen zwei feine Metallspitzen gespannt und der Stromfluss gemessen. Die Daten zeigen, dass sich Elektronen durch das Molekül bewegen, als wären sie auf einer verlustfreien Schnellstraße.

Besonders bemerkenswert: in dem Molekül wurde damit erstmals ein sogenannter ballistischer Elektronentransport über eine Länge von mehr als 20 Nanometern gemessen. Das bedeutet, dass sich Elektronen ohne Streuung oder Energieverlust durch das Molekül bewegen - ein Verhalten, das bisher nur in sehr reinen Festkörpern oder auf sehr kurzen Distanzen beobachtet wurde. Für organische Moleküle ist das ein außergewöhnliches Verhalten - bislang galten derart verlustfreie Strompfade auf dieser Längenskala als unerreichbar. Das neue Transistor-Molekül (J. Am. Chem. Soc.) Das Forschungsteam beschreibt die hohe Leitfähigkeit als Folge einer Wechselwirkung der Elektronenspins - eine Art innerer Drehimpuls von Elektronen - an den Enden des Moleküls. Diese Eigenschaft könnte sogar für Anwendungen in Quantencomputern interessant sein, in denen einzelne Quantenzustände verarbeitet werden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Weil das Molekül stabil an der Luft ist und sich aus günstigen Materialien herstellen lässt, könnte es in Zukunft als Verbindungselement in Chips dienen. Es wäre eine Alternative zu herkömmlichen Metallen, die Platz und Energie sparen kann. "Diese Moleküle könnten als Drähte auf der Nanoebene eingesetzt werden - als echte Bauteile im Inneren künftiger Computerchips", erklärt der Doktorand Mehrdad Shiri.

Die Entwicklung und Erprobung des Moleküls erstreckte sich über einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren. In dieser Zeit wurde nicht nur die chemische Struktur gezielt entworfen, sondern auch ihre außergewöhnliche Leitfähigkeit mit hochpräzisen Messmethoden bestätigt. Konkrete nächste Schritte nennt das Forschungsteam zwar nicht, doch das stabile Verhalten des Moleküls unter Alltagsbedingungen sowie sein Potenzial als Bauteil für klassische und quantenbasierte Elektronik lassen auf unmittelbar umsetzbare Anwendungen in der Chipentwicklung schließen.

Technische Details des entwickelten Moleküls:

Siehe auch: