Molekularer Kippschalter Hundertfach kleinere Schaltkreise möglich

Der Schalter ist nur einen Nanometer groß.
Der Schalter ist nur einen Nanometer groß.

Wie lässt sich Elektronik weiter miniaturisieren? Ein Ansatz ist die molekulare Elektronik – damit wären neue Dimensionen bei der Verkleinerung elektronischer Bauteile denkbar. Ein Beispiel für eine solche Entwicklung ist ein molekularer, elektromechanischer Kippschalter.

Wissenschaftlern am KIT ist es gelungen, einen molekularen Kippschalter zu entwickeln, der sich beliebig oft betätigen lässt. Das Grundgerüst des elektromechanischen Molekülschalters besteht aus nur wenigen Kohlenstoffatomen. Drei Schwefelatome bilden die Füße, die auf einer glatten Goldoberfläche fixiert sind.

Der Kipphebel endet in einer Nitril-Gruppe mit einem Stickstoffatom. Umgelegt wird der Schalter, indem eine Spannung angelegt und durch das daraus resultierende elektrische Feld eine Kraft auf die Ladung des Stickstoffatoms ausgeübt wird. Es entsteht ein Kontakt zu einer zweiten Elektrode, im Versuchsaufbau am KIT zur Goldspitze eines Rastertunnelmikroskops.

Der gesamte Schalter misst nur einen Nanometer. Bemerkenswert ist aber nicht nur die geringe Größe des Schalters, sondern auch, dass er vorhersehbar arbeitet: Eine Betätigung führt immer eindeutig zu einem Schaltzustand – der Kontakt ist also entweder offen oder geschlossen.

Bisherige Forschungsarbeiten an molekularen Kippschaltern scheiterten nämlich unter anderem daran, dass sich die elektronische Kontaktierung einzelner Moleküle nur unzureichend kontrollieren ließ. Bei dem neu entwickelten Schalter ist es geglückt, den Kontakt zwischen Molekül und Goldspitze elektrisch und mechanisch beliebig oft zu öffnen und zu schließen, ohne dass plastische Verformungen auftreten.

Die größte Schwierigkeit bei der Verschaltung ist, dass die molekularen Bausteine so schonend berührt werden müssen, dass sie dabei nicht beschädigt werden.
An dem molekularen Kippschalter arbeiteten Experimentalphysiker und Chemiker des Instituts für Nanotechnologie am KIT und der Universität Basel sowie theoretische Physiker der Universität Konstanz. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications kommuniziert.

Durch das Ersetzen der bisherigen siliziumbasierten Bauteile durch einzelne Moleküle könnten sich künftig elektronische Schaltkreise realisieren lassen, die weniger als ein Hundertstel der bisherigen Chipgröße einnehmen.