Einzelmolekül-Gleichrichter für die Nanoelektronik

Das Mooresche Gesetz hat sich in Hinsicht auf die Transistoranzahl und die steigende Rechenleistung bei sinkenden Preisen als richtig erwiesen. Allerdings gelangt es zunehmend an seine Grenzen, was weitgehend auf die Beschränkungen zurückzuführen ist, die durch die siliziumbasierte Elektronik entstehen. Zu den vielversprechendsten Lösungsansätzen zählt die molekulare Elektronik, die einzelne Moleküle als Gleichrichter einsetzt. An der Spitze der sich abzeichnenden Informationsverarbeitungstechnologie stehen Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis. Das EU-finanzierte Projekt "Carbon-based nanoelectronics" (CARBOTRON) setzte die Multiskalenmodellierung ein, um Merkmale zu untersuchen, was eine Voraussetzung einer gezielten Ausnutzung ist.

Das Team untersuchte die im Nanomaßstab stattfindende Gleichrichtung in der molekularen Elektronik, die Grundlage neuer Rechen- bzw. Computersysteme ist. Sie identifizierten einen innovativen Mechanismus für kohlenstoffbasierte Spintronik oder Spintransport-Elektronik, bei der die Bauelemente den Elektronenspin (oder allgemeiner, den Kernspin) anstelle der oder zusätzlich zur Ladung ausnutzen. Die Erkenntnisse mündeten in drei Publikationen in von Experten begutachteten wissenschaftlichen Fachzeitschriften.

Weitere theoretische Experimente mit Materialien auf Kohlenstoffbasis umfassten eine Untersuchung von Kohlenstoffnanobambus. Dabei handelt es sich um eine einzigartige Struktur aus Kohlenstoffnanoröhren mit verschiedenen Durchmessern und chiralen Winkeln, die langen, zufällig angeordneten Bambusrohrstücken ähnelt und innerhalb von Kohlenstoffnanoröhren mit größerem Durchmesser zum Wachsen gebracht wird. Die Modellierung deutete auf einen Mechanismus zur Bestimmung der stabilen Struktur hin.

Zum Abschluss setzten die Forscher Vielteilchenverfahren ein, um zu beweisen, dass die vorhergesagten Werte einer Bandlückenbreite bei eindimensionalen Kohlenstoffmolekülen mit veröffentlichten experimentellen Werten übereinstimmen.

Das CARBOTRON-Projekt ging über den ursprünglichen Anwendungsbereich hinaus und untersuchte weitere niederdimensionale Materialien, die den ursprünglichen Zielen nahekommen. Darunter waren Silicen (engl. silicene, das Silizium-Äquivalent von Graphen), hydriertes Silicen mit der Bezeichnung Silican (silicane) und das Germanium-Äquivalent von Silicen, das sogenannte Germanan (germanane). Modellrechnungen zeigen den enormen Nutzen dieser Materialien für die Nanoelektronik, der auf ihre ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Sieben weitere wissenschaftliche Arbeiten wurden zu diesen Themen veröffentlicht.

Insgesamt publizierten die Wissenschaftler 14 Artikel in angesehenen, von Experten begutachteten Fachjournalen, von denen einige seitdem vielfach zitiert wurden. CARBOTRON hat einen wichtigen Grundstein für das Fundament zukünftiger Computersysteme gelegt, der eindrucksvoll das Potenzial der molekularen Elektronik demonstriert, die durch das Mooresche Gesetz auferlegten Beschränkungen überwinden zu können.