KIT entwickelt winzigsten Einzelatom-Transistor

24. September 2018, 14:00 Uhr
Einzelatom-Transistor in Gel-Elektrolyt. Bild: AG Thomas Schimmel / KIT 
Einzelatom-Transistor in Gel-Elektrolyt. Bild: AG Thomas Schimmel / KIT 
Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde der wohl weltweit kleinste Transistor in der Arbeitsgruppe um Thomas Schimmel entwickelt, der nur einen einziges Atom benötigt. Dieses quantenelektronische Bauelement schaltet den Strom durch das kontrollierte Verschieben eines einzelnen Atoms - bei Raumtemperatur! 
 
Einzel-Atom-Transistoren sind wohl der (vorläufige) Endpunkt für Moore’s Law. Kleiner geht es nach heutigem Wissen wirklich nicht. Solche kleinen Strukturen kommen dank dem geringen Platzbedarf nicht nur der höheren Integration zugute, sondern sie brauchen auch noch sehr wenig Energie. Das ist insbesondere deshalb bedeutsam, weil mehr Transistorfunktionen in Chips auch thermische Grenzen haben. Und ein simpler USB-Speichersticketliche Milliarden Transistoren. Der Einzelatom-Transistor benötigt für einen Schaltvorgang nur etwa 0,1 ‰ der Energie eines in konventioneller Technik hergestellten Transistors.
 
In der Fachzeitschrift Advanced Materials beschreiben die Karlsruher Forscher einen Transistor, der kleiner nicht denkbar ist. Zwischen zwei winzigen Metallkontakten wurde dabei eine Lücke in der Breite eines einzigen Metallatoms gelassen. Über einen elektrischen Steuerimpuls kann man dann ein einziges Silberatom in diese Lücke schieben und so den Schalter schließen. Das Silber-Atom lässt sich mit einem anderen Impuls auch wieder von diesem Platz entfernen, was den Schalter wieder öffnet. Anders als andere quantenelektronische Bauteile benötigt dieser Einzelatom-Transistor allerdings keine extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, sondern funktioniert schon bei Raumtemperatur.
 
Weiter interessant: Der Transistor besteht ausschließlich aus Metall – enthält also keine Halbleiter. Er lässt sich folglich auch bei extrem niedrigen Spannungen betreiben, was zu einem extrem niedrigen Energieverbrauch führt. Der Vorgänger dieses Einzelatom-Transistors war noch auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen. Nun gelang erstmals die Konstruktion mit einem festen Elektrolyten. Erreicht wurde dies durch Gelieren des wässrigen Silberelektrolyts mit pyrogenem Siliziumdioxid. Der resultierende Gel-Elektrolyt verbindet die Vorteile eines Feststoffs mit den elektrochemischen Eigenschaften einer Flüssigkeit.
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