US-Forscher entwickeln molekülgroßes Netz aus Leiterbahnen

Pat Collier von der Heath-   Gruppe zeigt einen Schaltkreis    auf Molekül-Basis

Revolution im Chip-Design

Frankfurt/Main - Bisher gaben Chiphersteller Milliarden Dollar aus, um ausgetüftelte und kleine Muster auf Siliziumchips zu ätzen. Nun haben amerikanische Forscher ein System entwickelt, das die Bauprinzipien der Mikroprozessoren auf den Kopf stellt. Sie produzieren mit Hilfe organischer Moleküle ein unvorstellbar winziges Netz, auf dem letztlich ein Computer die Leiterbahnen eines Chips erzeugt.

"Theoretisch passen dann 100 Workstations in ein Sandkorn", sagt der Chemiker Jim Heath von der University of California in Los Angeles (UCLA). Aber bis dahin sei es noch eine weite Strecke, schränkt er ein. Der Weg dorthin ist allerdings vorgezeichnet, während die traditionelle Chip-Herstellung irgendwann in eine Sackgasse geraten wird. Die leitenden Strukturen müssen zumindest so groß sein, dass die Elektronen fehlerlos hin- und herrasen können. Wenn die Bahnen in die Größenordnung von 100 Nanometern kommen, das sind ein zehntausendstel Millimeter, können bereits Abweichungen von wenigen zehn Nanometern zum Zusammenbruch des Chips führen.

"100 Workstations in einem Sandkorn"

Experten gehen davon aus, dass die herkömmlichen Chips in der Mitte des nächsten Jahrzehnts an ihre Grenzen stoßen werden, falls die Miniaturisierung im bisherigen Tempo fortschreitet. Weltweit suchen die Forscher daher nach Alternativen, unter denen der Ansatz von Heath, James Stoddart und Stan Williams vom Hewlett-Packard-Labor wegen seiner Einfachheit herausragt.

Zunächst gibt es allerdings nur einen Prototypen mit bescheidenen vier Schaltelementen. Dabei handelt es sich um ein rechtwinkliges Gitter aus Aluminiumdrähten, zwischen denen eine Schicht so genannter Rotaxane sitzt. Dies sind organische Moleküle, die im Prinzip aus einer langen Kette und einem Ring aufgebaut sind. An den Enden der Kette sind zwei Stopper, damit der Ring nicht herabrutschen kann. Der Ring kann meist an bestimmten Stellen der Kette mittels elektrischer Spannung fixiert werden, weshalb Rotaxane als mögliche Schaltelemente seit längerem im Gespräch sind.

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Computer erschafft Struktur

Im System von Heath sitzt ein Rotaxan-Molekül am Kreuzungspunkt der Drähte und stellt eine Verbindung her. Im Normalzustand kann Strom vom unteren Draht durch das Rotaxan in den oberen Draht fließen. "Die Moleküle sind wie Steine in einem Bach", sagt Heath. Wie ein Wanderer einen breiten Bach nicht ohne Steine darin überqueren könnten, seien die Elektronen nicht in der Lage, von einem Draht zum anderen zu hüpfen.

Fähigkeit zur Selbstheilung

Wenn an die Drähte eine Spannung angelegt wird, verändern sich die Rotaxane; sie werden oxidiert. In diesem Zustand können keine Elektronen mehr zwischen den Drähten fließen. Idealerweise könnten in dem System Schalter beliebig oft geöffnet und geschlossen werden, was einem leistungsfähigen Schaltkreis entsprechen würde. Falls eines der Rotaxane ausfiele, könnte es einfach übergangen werden; der Chip der Zukunft hätte sozusagen eine begrenzte Fähigkeit zur Selbstheilung.

Bisher ist die Oxidation der Rotaxane aber nicht umkehrbar, das System eignet sich demnach nur für einmalig beschreibbare Speicher. Heath und seine Kollegen suchen nach einem Rotaxan oder ähnlichen Molekülen, die reversibel oxidiert und reduziert werden können. Ein weiteres Problem sind die Drähte, die mit elf Mikrometern gegenüber den heutigen Chip-Strukturen riesig sind. Wie Heath im britischen Wissenschaftsmagazin "Science" kürzlich erklärte, laufen erste Versuche mit Nanodrähten. Das sind elektrisch leitende Röhrchen aus Kohlenstoff, die nur wenige Nanometer (milliardstel Meter) dick sind, und die optimistischen Prognosen von Heath erfüllen könnten.

Weiterführende Links
	Hewlett-Packard (engl.)
	Heath-Gruppe (engl.)