Nanotechnologie - Fallstudie

Die "Nano-Connexion"

Das Projekt NANOWIRES führte zu wesentlichen Erkenntnissen über das Verhalten molekülgroßer Drähte in integrierten Schaltkreisen.

Eines der Haupthindernisse auf dem Weg zu nanoskaligen ICs sind die Verbindungsstellen - die Drähte, die jedes Element des Chips verbinden. Schaltkreise unter 100nm werden Verbindungsstellen in der Größenordnung von 50nm bis hin zu Molekül- oder Atomgröße erforderlich machen, und da sind wir an die Grenzen unseres Verständnisses von Grundphänomenen wie Elektronenleitung gestoßen.

Das Projekt NANOWIRES wurde unter der Advanced Research Initiative in Microelectronics (MEL-ARI) lanciert, um nützliche molekulare Systeme besser verstehen und gegebenenfalls analysieren zu können. Unter der Leitung der University of Cambridge nehmen Forschungsinstitute aus Dänemark, Frankreich, Spanien, Schweden und der Schweiz an dem Projekt teil.

"Es gibt zwei Grundtypen von Nanodrähten - Metall- und Moleküldrähte", erklärt Véronique Langlais, eine französische Forscherin, die ihre Tätigkeit bei IBM Zürich zu Projektbeginn aufnahm. "Wir arbeiten mit Moleküldrähten und -schaltern, da sie viele Vorteile bieten. Einerseits, wenn man ein spezifisches Molekül als Draht benutzt, weiß man ganz genau, was man bekommt, es ist eine 100%ige Reproduzierbarkeit gegeben. Und sogenannte 'intelligente Moleküle' können so konzipiert werden, daß sich selbst andocken - sie fügen sich buchstäblich selbst in den Chip ein, was natürlich viel besser ist als eine manuelle Bearbeitung."

"Lander" im Einsatz

IBM Zürich arbeitete mit dem in Toulouse ansässigen Forschungszentrum CEMES (Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales, Teil des französischen CNRS), einem der Partner aus NANOWIRES, zusammen, um einen auf Kunden zugeschnittenen Moleküldraht, der eine spezifische Modellierungssoftware benutzt, zu entwickeln. CEMES gelang dies fast zeitgleich mit der Landung der Pathfinder Mission der NASA auf dem Mars. Dieses Ereignis und das Aussehen veranlaßten das Team, ihr neues Molekül nach dem Mars Rover "Lander" zu taufen.

"Lander" besteht aus ca. 200 Kohlen- und Wasserstoffatomen, ist 1,7nm lang, 0,3hm breit und hat vier Beine, die es in 0,6hm-Entfernung von der Fläche halten, auf der es angebracht ist. Ziel der Forscher war, seine Fähigkeit zur Elektronenleitung zu untersuchen, und sie konnten mit großem Erstaunen feststellen, daß ihr neuer "Liebling" intelligent war.

"Daß sich 'Lander' selbst andocken kann, ist ein zusätzlicher Pluspunkt. Wenn es auf einem Chip ein IC-Element mit einer Elektrode gibt, die genau über dem Substrat liegt, wird sich Lander selbst an diese Elektrode anhängen", fährt Langlais fort. "Wenn Sie also 'Lander' dazu benutzen wollen, zwei IC-Elemente miteinander zu verbinden, dann müssen Sie Ihre IC-Elemente nur mit den richtigen Elektroden versehen und sie so plazieren, daß sie sich in entsprechender Entfernung gegenüberliegen. Lander wird die Stelle dann selbst finden."

Ab durch den Tunnel

Und was dann? Die Kernfrage war vor allem, wie gut Moleküle wie Lander Elektrizität über diese Entfernung transportieren können. "Lander ist kein Stromleiter, zumindest nicht im herkömmlichen Sinn", räumt Langlais ein. "Aber Elektronen fließen mit Hilfe von 'Quantum-Tunneling' den Nanodraht entlang."

Die Ladung fließt zwischen den beiden Elektroden, da die Metallwellenfunktion der Elektroden zu Lander durchdringt und dabei seine Penetrationslänge vergrößert. Dies erlaubt den Elektronen, "über die Lücke zu springen", ohne Lander auch nur physikalisch zu passieren, und ganz in Einklang mit Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation.

Das Forschungsteam bestätigte dieses Phänomen nicht nur in einem ersten Experiment, sondern leitete auch einen quantitativen Wert der Höhe der Tunnelgrenze in Lander ab. Darüber hinaus konnten sie zeigen, daß, selbst wenn die Nanodrähte übereinander lagen, der Strom nicht vom einem zum anderen floß - dies ist eine wichtige Erkenntnis, da sie eine hohe Dichte von Nanodrahtreihen erlaubt.

"Wir können Landers "Tunnel Barrier" (Tunnelgrenze) durch die physikalische Pressung des Moleküls mit STM verändern", fügt Langlais hinzu. "Und dies eröffnet die Möglichkeit molekularer Transistoren. Im Rahmen ähnlicher Arbeiten hat unser Team elektromechanische C60-Verstärker und das sich drehende Molekülrad (siehe Kasten) entdeckt, womit sich die Grenzen zwischen Nanoelektronik und Nanomechanik zusehends verwischen."