Phosphoratom in Siliziumoberfläche funktioniert wie normalgroßes Bauteil Kleinster Transistor der Welt hat nur ein Atom - scinexx | Das Wissensmagazin
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Phosphoratom in Siliziumoberfläche funktioniert wie normalgroßes Bauteil

Kleinster Transistor der Welt hat nur ein Atom

Aufnahme des Atom-Transistors mit dem Rastertunnelmikroskop: in der Mitte der Siliziumoberfläche (blau) sitzt das zentrale Bauteil, ein einzelnes Phosphoratom (rot); ebenfalls aus Phosphor und daher rötlich dargestellt sind die beiden nächstgelegenen Elektrodenausläufer. © ARC Centre for Quantum Computation and Communication, at UNSW

Der kleinste Transistor der Welt besteht aus nur einem Atom: Forscher haben ihn aus einem Phosphoratom konstruiert, das sie erstmals atomgenau auf einer Siliziumoberfläche platzierten. Wurde an das winzige Bauteil elektrische Spannung angelegt, verhielt es sich wie ein normaler Transistor. Je nach Höhe der Spannung leitete das Phosphoratom Elektronen weiter oder nicht. Dies demonstriere, dass ein Elektronikbauteil aus nur einem Atom prinzipiell gebaut werden könne, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“.

Die entscheidende Voraussetzung für den Atom-Transistor war die Fähigkeit, das Phosphoratom gezielt an einer bestimmten Stelle in die Siliziumoberfläche einzusetzen. Mit Hilfe eines speziellen, mehrschrittigen Lithografie-Verfahrens hatten die Forscher ein Siliziumatom durch das Fremdatom ersetzt und dieses akkurat zwischen die Nanodrähte der vier umliegenden Phosphor-Elektroden positioniert. Erstmals habe man bei dieser Platzierung eine Genauigkeit von weniger als einem halben Nanometer erreicht, sagen die Forscher. Dies entspricht der Größe von zwei nebeneinander liegenden Atomen.

Bauteil für zukünftige Quantencomputer

„Die Fähigkeit, ein einzelnes Phosphoratom im Silizium zu platzieren und dessen elektrisches Verhalten zu messen ist eine der Voraussetzungen für den praktischen Einsatz eines Quantencomputers“, schreiben Martin Fuechsle von der University of New South Wales in Sydney und seine Kollegen.

Atomtransistor mit Phosphorelektroden (links) und Ausschnitt mit dem zentralen Atom. Die Buchstaben bezeichnen die Elektroden (D: Drain, G: Gate, S: Source). © Fuechsel et al. /Nature Nanotechnology

Solche Atom-Transistoren könnten in Zukunft sowohl in Quantencomputern als auch in anderen miniaturisierten Elektronikgeräten eingesetzt werden, meine die Forscher. Noch allerdings funktioniert der Transistor aus einem Phosphoratom nur bei etwa minus 269 Grad Celsius – der Temperatur von flüssigem Helium.

Umlagerungen in der Sechser-Gruppe

Um den Atom-Transistor zu konstruieren, konzentrierten die Forscher zunächst ihren Arbeitsbereich auf nur eine Sechsergruppe von Siliziumatomen in der Oberfläche. Das spezielle Verfahren ermöglichte es, nur in diesem Bereich Phosphin, eine Phosphor-Wasserstoff-Verbindung, mit der Siliziumoberfläche reagieren zu lassen. Dabei lagerten sich zunächst drei Moleküle der Verbindung an drei benachbarte Siliziumatome an.

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Anschließend erhitzten die Forscher das Ganze auf 350 Grad Celsius. Die Hitze löste Umlagerungen der Moleküle aus, bei denen zwei der drei Phosphoratome ihre Bindung an das Silizium wieder lösten. Das dritte Phosphoratom verlor während dieser Umlagerungen nach und nach seine drei Wasserstoffatome. Im letzten Schritt dann verdrängte es eines der Siliziumatome aus seinem Platz im Atomgitter. Damit war eine Platzierung bis auf zwei Atombreiten genau gelungen. (Nature Nanotechnology, 2012; doi: 10.1038/nnano.2012.21)

Video über den Atom-Transistor

(Nature Nanotechnology / dapd, 21.02.2012 – NPO)

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