Karlsruher Institut für Technologie KIT Einzelatom-Transistor schaltet in festem Elektrolyten

Die Grenze der Miniaturisierung erreicht der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert.
Die Grenze der Miniaturisierung erreicht der Einzelatom-Transistor, der in einem Gel-Elektrolyten funktioniert.

Anders als bislang arbeitet der Einzelatom-Transistor, den ein Team am KIT um Professor Thomas Schimmel entwickelt hat, in einem festen Elektrolyten. Dieses quantenelektronische Bauelement schaltet bei Raumtemperatur einen elektrischen Strom über das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms.

Mit dem diesem Transistor haben die Forscher einen technologisch neuen Ansatz verwirklicht: Er besteht ausschließlich aus Metall und kommt ohne Halbleiter aus. Die Folge sind extrem niedrige elektrische Spannungen und damit ein extrem niedriger Energieumsatz. Bisher war der Karlsruher Einzelatom-Transistor auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen.

Nun hat Professor Thomas Schimmel und sein Team am Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT erstmals einen Transistor hergestellt, der in einem festen Elektrolyten funktioniert: Der durch Gelieren eines wässrigen Silberelektrolyten mit pyrogenem Siliziumdioxid entstandene Gel-Elektrolyt verbindet die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und verbessert damit sowohl die Sicherheit als auch die Handhabung des Einzelatom-Transistors.

Dieser Einzelatom-Transistor könnte künftig erheblich zur Energieeffizienz in der Informationstechnologie beitragen: »Mit diesem quantenelektronischen Element sind Schaltenergien möglich, die um einen Faktor 10.000 unter denen herkömmlicher Siliziumtechnologien liegen«, so der Nanotechnologie-Experte, der als Pionier der Einzelatom-Elektronik gilt.

In Industrieländern ist die Informationstechnologie derzeit für mehr als zehn Prozent des Stromumsatzes verantwortlich. Zentrales Element der digitalen Datenverarbeitung ist der Transistor – ob in Rechenzentren, PCs, Smartphones oder in eingebetteten Systemen für viele Anwendungen von der Waschmaschine bis zum Flugzeug. Auf einem aktuell für wenige Euro erhältlichen USB-Speicherstick befinden sich bereits mehrere Milliarden Transistoren.

Der Einzelatom-Transistor, den der Physiker Professor Thomas Schimmel mit seinem Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) geschaffen hat, arbeitet bei Raumtemperatur und verbraucht extrem wenig Energie, was ganz neue Perspektiven für die Informationstechnologie eröffnet. In der Zeitschrift Advanced Materials stellen die Wissenschaftler den Transistor vor (DOI: 10.1002/adma.201801225).

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