Molekularer Schalter für Nanospeicher

Forscher des IBM-Labors im Schweizer Rüschlikon-Forschungslabor haben einzelne Moleküle gezielt zwischen zwei verschiedenen Ladungszuständen geschaltet. Damit könnte man mit einem einzelnen Molekül bereits Daten speichern. Die Forschungsergebnisse werden heute in der Zeitschrift SMALL vorgestellt ( E. Lörtscher, J. W. Ciszek, J. Tour, und H. Riel, Reversible and Controllable Switching of a Single-Molecule Junction, Small, Volume 2, Issue 8 – 9 , pp. 973 – 977 ).

Wesentlich für die Untersuchung der innewohnenden Eigenschaften von Molekülen ist die Fähigkeit, diese einzeln anzusprechen. Für diesen Zweck haben Riel und Lörtscher eine Methode erweitert, die "mechanically controllable break-junction (MCBJ)" genannt wird. Bei dieser Technik wird eine Metallbrücke auf einem isolierenden Substrat vorsichtig gedehnt, indem ein Piezo-Element von unten gegen das Substrat drückt. Irgendwann bricht die Brücke ab und schafft zwei Elektroden mit atomaren Spitzen. Die Größe der Lücke zwischen diesen Elektroden kann mit Pikometer-Genauigkeit gesteuert werden. In einem nächsten Schritt wird eine Lösung organischer Molekül auf der Spitze der Elektroden positioniert. Wenn die Verbindung sich schließt, kann ein Molekül, das sich an beide Metallelektroden anbinden kann, die Lücke überbrücken. Auf diesem Weg ist ein einzelnes Molekül zwischen den Elektroden "eingefangen".

Durch die Anwendung von Spannungspulsen bei einem Molekül kann es steuerbar zwischen den Zuständen "an" und "aus" hin und her geschaltet werden. Beide Ladungszustände sind stabil und ermöglichen ein zerstörungsfreies Auslesen des Bit-Status – eine Voraussetzung für nicht-flüchtige Speicheroperationen. Die IBM Forscher haben dies durch wiederholte Schreib-Lese-Lösch-Lese-Zyklen nachgewiesen. Mit diesem Einzel-Molekül-Speicherelement haben Riel und Lörtscher mehr als 500 Schaltzyklen und Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich zeigen können.

Die ersten molekularen Schalter sind bereits Ende der Neunzigerjahre realisiert worden. 2004 ist es der Gruppe um Mark Reed gelungen, molekulare Speicherzellen mit einem Durchmesser von 30 bis 50 Nanometern – gängige SRAM-Speicherzellen mit sechs Transistoren beanspruchen dagegen eher die Größenordnung von Quadratmikrometern in der Fläche – herzustellen, die aus einer selbst organisierenden Schicht organischer Moleküle zwischen zwei Gold-Elektroden bestehen. Der Speicher arbeitete bei fünf Volt und konnte ein gespeichertes Bit bis zu 15 Minuten ohne Refresh halten. Die Kontaktierung und Leitfähigkeitsmessung einzelner Moleküle erwies sich bislang jedoch als schwieriger, als ursprünglich gedacht.

Zum Stand der Nanotechnologie siehe auch das Interview mit Gerd Binnig und Heinrich Rohrer auf Technology Review Online: (wst)

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