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Ein-Elektronen-Schalter mit Nanoröhrchen

09.08.2007 | 08:30 Uhr |

Kanalröhre: Transistor mit Carbon Nano-Tube und 18 nm Kanalbreite der Firma Infineon.
Vergrößern Kanalröhre: Transistor mit Carbon Nano-Tube und 18 nm Kanalbreite der Firma Infineon.
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In der Praxis ist man schon so weit, diese Nanoröhrchen als Schalter einsetzen zu können der Weg zum Transistor-Ersatz ist nicht mehr weit. Ein Team von niederländischen Forschern gelang dies mit Nano-Tubes bei Raumtemperatur dies begründet sich auch aufgrund der geringen Abmessungen. Die Forscher verwendeten für den Schalter ein einwandiges Nanoröhrchen, das einen Durchmesser von etwa einem und eine Länge von rund zwanzig Nanometern besaß.

Eine Kühlung ist bisher bei Ein-Elektronen-Transistoren mit sogenannten Quantenpunkten nötig, möchte man ein unkontrolliertes Schalten durch externen Wärmeeinfluss verhindern. Quantenpunkte sind dabei wenige Nanometer kleine Anhäufungen von Elektronen. Benötigt ein herkömmlicher Transistor für einen Schaltvorgang mindestens einige Hunderttausend Elektronen, schaltet der hier entworfene sogenannte Ein-Elektronen-Transistor mit jedem zu- und abfließenden Elektron.

Der Großteil der Ein-Elektronen-Transistoren, die man bisher verwirklicht hat, besteht aus einem Quantenpunkt, der von zwei Kontakten umgeben ist. Für den Bau des Transistors knickten die Forscher ein Nanoröhrchen an zwei Stellen mit der Abtastnadel eines Rasterkraftmikroskops. Dort angebrachte elektrische Kontakte zeigten in dem zuvor metallischen Röhrchen keinen Stromfluss mehr an. Die Kohlenstoffatome blockierten scheinbar den Elektronenfluss an den Knicken.

Das Nanoröhrchen wurde erst wieder leitend, als man eine Spannung an das Röhrchen anlegte. Der Strom stieg stufenförmig an, nicht gleichmäßig wie nach dem ohmschen Gesetz - dies bestätigt eine bekannte Theorie. Nur wenn es einzelnen Elektronen gelingt, die Knickstellen zu durchtunneln, konnte in dem geknickten Nanoröhrchen ein Strom fließen. Dazu benötigen die Ladungsträger aber eine bestimmte Menge an Energie.

Die Elektronen tunnelten nicht unabhängig voneinander durch das Nanoröhrchen, wie man das von den anderen Ein-Elektronen-Transistoren kennt, sondern immer nur das jeweilige an der Knickstelle. Erhöhte man die Spannung an den Kontakten, floss jedes Elektron für sich hindurch. Der Firma Infineon führend bei den Carbon Nano-Tubes ist es im Jahre 2004 gelungen, einen Transistor mit einer Kanallänge von 18 nm zu entwickeln.

Dies entspricht der Länge des Kohlenstoffröhrchens, welches zwischen den Drain- und Source-Elektroden platziert ist. Beide Elektroden und das Röhrchen sind auf einem Silizium-Substrat fixiert, und die zur Ansteuerung des Transistors notwendige Gate-Elektrode befindet sich unterhalb des Röhrchens und des Substrats.

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