Beschreibung

Stand der Technik und zu lösende Problemstellung

Die Entwicklung in der Mikroelektronik ist geprägt von einer zunehmenden Miniaturisierung. Neben einer Verkleinerung der Abmessungen einzelnen Bauelemente, insbesondere Transistoren und dem übergang zu immer höheren Taktfrequenzen [1,2] steht zunehmend auch die Reduzierung des Energieverbrauchs je logischer Operation im Vordergrund. Bereits bei den in Produktion befindlichen Halbleiterstrukturen in Prozessoren und Speicherchips liegen gegenwärtig die Abmessungen der einzelnen Bauelemente auf einem Mikrochip unterhalb von 100 Nanometern mit dem Ziel weiterer Verkleinerung. Während sich die Halbleiter-Technologie noch weitgehend auf Silizium-basierte Systeme stützt, werden zunehmend auch alternative Systeme für die Nanoelektronik diskutiert, insbesondere den Aufbau logischer Elemente wie etwa Schalter und Transistoren, auf der Basis einzelner Moleküle (so genannte Molekulare Elektronik) [3,4,5].

Noch kaum diskutiert ist die Möglichkeit des Aufbaus elektronischer Schaltungen auf der Basis von Bauelementen, deren aktive Struktureinheiten nicht einzelne - teilweise sehr spezielle und z.T. komplexe - Molekülstrukturen sind, sondern einzelne Atome, etwa Metallatome („atomare Elektronik"). Während für die Molekulare Elektronik bereits eine Vielzahl von vorgeschlagenen Konzepten, aber auch von experimentellen Realisierungen existiert, gibt es noch kein Konzept für eine atomare Elektronik. Während passive Bauelemente wie Kondensatoren und Widerstände auf atomarer Skala längst als Prototypen realisiert und experimentell ausführlich untersucht sind, scheitert eine atomare Elektronik bisher an der Realisierung eines atomaren Transistors, d.h. eines Bauteils auf atomarer Skala, bei dem ein Source-Drain- Widerstand gezielt über eine unabhängige dritte Elektrode, die Gate-Elektrode, gesteuert und beispielsweise zwischen einem elektrisch leitfähigen On-State und einem geringer leitfähigen oder im Idealfall nichtleitenden Off-State gezielt über die Variation des an die Gate-Elektrode angelegten Potentials gesteuert werden kann. Andererseits gibt es in der Literatur bereits umfangreiche Vorarbeiten zur Herstellung von Kontakten aus einzelnen Atomen [6,7,8,9,10,11,12]. Dies geschieht zum einen auf mechanischem Wege, indem man eine dünne metallische Brücke soweit auseinanderzieht, bis sie nur noch aus einem Kontaktbereich von einem oder wenigen Atomen im Durchmesser besteht. Dabei werden insbesondere mechanisch kontollierbare Bruchkontakte (Mechanically Controllable Break Junctions, MCB) und der Kontakt zwischen der metallischen Spitze eines Rastertunnelmikroskopes und einer metallischen Probe verwendet, aber auch Kontakte in Relais u.a. wurden untersucht. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass sich metallische Punktkontakte auf atomarer Skala auch durch galvanische Abscheidung von Metallen aus einem Elektrolyten in einer kleinen Lücke („Gap") zwischen zwei elektrische leitenden Kontakten herstellen lassen [10,11,12]. Während sich solche Kontakte häufig, aber längst nicht immer als Quantenpunktkontakte mit Leitwerten von ganzzahligen Vielfachen des Leitwertquantums erweisen, lässt sich ihr Leitwert, den sie annehmen, kaum vorherbestimmen oder vorher auf einen bestimmten Wert gezielt einstellen. Vielmehr nimmt der Leitwert der metallischen Brücke mit abnehmendem Durchmesser - meist in mehreren Stufen - sukzessive ab, bis die Brücke bricht. Das wesentliche Problem für die Realisierung einer Atomaren bzw. Molekularen Elektronik, nämlich die Realisierung aktiver Bauelemente, die es erlauben, mittels einer unabhängigen dritten Steuerelektrode den Leitwert zwischen einer Source- und einer Drain-Elektrode gezielt zu steuern und einzustellen, ist damit jedoch noch nicht gelöst.

Es gab in der Vergangenheit zwei wesentliche Ansätze, das Problem zu lösen. Zum einen wurde ein atomarer Kontakt wiederholt geöffnet und geschlossen, indem man zwei makroskopische Elektroden aufeinander zu und voneinander wegbewegt hat [13]. Hier war zweifellos der Kontakt auf atomarer Skala, das öffnen und Schließen des Kontaktes erforderte aber die Bewegung einer makroskopischen Elektrode.

In einem anderen Ansatz gelang es der Gruppe um Don Eigler [14], in einem Tunnelmikroskop gezielt die Position eines einzelnen Atoms zwischen zwei Positionen (an der Tunnelspitze bzw. auf der Probenoberfläche) hin und her zu schalten. Hier handelt es sich zweifellos um ein Bauteil, dessen einziges bewegliches bzw. bewegtes Teil ein einzelnes Atom ist. Dieser „Atom-Flip-Flop" hat jedoch nicht nur dem Nachteil, dass er in der gezeigten Konfiguration nur bei tiefem Temperaturen (typ. 4 K bis 30 K) und im Ultrahochvakuum betrieben werden kann, also nicht bei den Bedingungen, bei denen in der technischen Anwendung elektronische Schaltungen betrieben werden. Vielmehr ist hier auch keine unabhängige dritte Elektrode als Steuerelektrode oder Gate vorhanden. Die Umschaltung der Atom-Position des beweglichen Atoms geschieht vielmehr durch Anlegen von Potentialen an die beiden Elektroden, deren Leitwert umgeschaltet werden soll. Vor allem aber lässt sich mit dieser Anordnung ein elektrischer Stromkreis nicht öffnen und schließen, sondern der Widerstand des Kontaktes variiert allenfalls um typischerweise 0% bis 40% durch den Positionswechsel des Atoms, wobei dieser Prozentsatz an änderung nicht exakt vorhersagbar ist.

Ein anderes atomares Schaltelement wurde von Fuchs und Schimmel [15,16] vorgestellt. Hier ist der Schaltprozess ebenfalls auf atomarer Skala. Im Gegensatz zu dem eben genannten Beispiel kann der Schaltvorgang auch unter Umgebungsbedingungen, d.h. bei Raumtemperatur und ohne die Notwendigkeit von Vakuum oder Sauerstoffausschluss, also beispielsweise an Luft ausgeführt werden. Jedoch handelt es sich hier primär um ein positionelles Schalten. Ein Umschalten eines elektrischen Tunnelstromes zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert ist ebenfalls nur unter Verwendung eines Tunnelmikroskopes beobachtbar. Ein Aus- und Einschalten des Tunnelstromes durch das atomare Bauelement ist nicht möglich.

Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Bauelementes

Das erfindungsgemäße Verfahren löst nun dieses Problem, indem ein atomares Schaltelement entwickelt wurde, dessen einzige bewegliche Elemente die kontaktierenden Atome sind und dessen elektrischer Kontakt zwischen zwei Elektroden (Source und Drain genannt) über ein an einer unabhängigen dritten Elektrode angelegtes Potential (Kontrollpotential) gezielt geöffnet und geschlossen werden kann. Das Bauteil kann reproduzierbar bei Raumtemperatur und ohne Ausschluss von Sauerstoff betrieben werden. Das Verhältnis zwischen dem Source- Drain- Leitwert in eingeschalteten und im ausgeschalteten Zustand kann mehr als 1000, je nach Ausfuhrung mehr als 10000 betragen.

Die Grundidee bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das „Trainieren" eines elektrochemisch hergestellten atomaren Punktkontaktes durch wiederholtes Zyklisieren in folgender Weise.

Zunächst wird in einem kleinen Zwischenraum zwischen zwei Elektroden galvanisch aus einem Elektrolyten Metall abgeschieden, bis der Kontakt zwischen den beiden Elektroden geschlossen ist und ein voreingestellter oberer Leitwert X überschritten ist. Anschließend wird sofort oder mit definierter zeitlicher Verzögerung ein Auflösepotential V2 an die beiden Elektroden relativ zur Referenzelektrode angelegt (dies geschieht beispielsweise, aber nicht notwendigerweise dadurch, dass nicht das Potential der beiden Goldelektroden, sondern das Potential der Quasi-Referenz-Elektrode relativ zu einem Bezugspotential „Ground" variiert wird), bis ein unterer Leitwert Y unterschritten wird, und anschließend wird wieder ein Abscheidepotential Vl angelegt, bis in dem Kontakt der obere Leitwert X erreicht ist und der Zyklus mit Anlegen des Auflösepotentials V2 wieder neu beginnt.

Dies wird solange wiederholt, bis durch dieses „Training" des Kontaktes als Antwort auf das Anlegen eines Auflösepotentials an die Arbeitselektroden relativ zur Referenzelektrode (Arbeitselektrode positiver relativ zur Referenzelektrode) der Leitwert des Kontaktes mit oder ohne zeitliche Verzögerung auf den Wert null springt und auf Anlegen eines Abscheidepotentials (Arbeitelektrode negativer relativ zur Referenzelektrode) der Leitwert des Source-Drain-Kontaktes mit oder ohne zeitliche Verzögerung auf den beabsichtigten Wert G springt. Das beschriebene Verfahren arbeitet besonders vorteilhaft, wenn der beabsichtigte On-State-Leitwert G ein Vielfaches des Leitwertquantums beträgt.

Mittels eines Hold-Potentials, d.h. mit einem Wert des Potentials, der zwischen Abscheide- und Auflösepotential liegt, lässt sich ein angenommener Leitwert (On-State bzw. Off-State) anschließend stabil halten so lange, bis gezielt durch Potentialänderung umgeschaltet wird - über das Abscheidepotential von Off-State zu On-State bzw. über das Auflösepotential von On-State zu Off-State. Auf diese Weise lässt sich die Funktion eines Transistors oder eines Relais auf atomarer Skala realisieren. Das Bauteil stellt einen atomaren Schalter bzw. ein atomares Relais dar, das sich als funktionelle Einheit für atomare Logikschaltungen und Logikchips sowie für atomare Elektroniken einsetzen lässt.

über die Möglichkeit, nach Einstellen eines definierten On-State das Zyklisieren und das Schalten einzustellen und lediglich ein Hold-Potential (dessen Wert im Allgemeinen für das Halten des On-State und für das Halten des Off-State auch unterschiedlich sein kann, aber nicht muss, siehe untenstehende beispielhafte Ausführungsbeschreibung) anzulegen, lässt sich das Verfahren nicht nur zur Herstellung und zum Betrieb atomarer Schalter und atomarer Transistoren verwenden, sondern auch zur Herstellung von Widerständen mit vorselektierbarem, vor der Herstellung vorgebbarem definiertem Wert, der vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches des Leitwertquantums sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel für die genannten Anwendungen ist untenstehend beschrieben. Weitere Beispiele finden sich in Anhang 1, Anhang 2 und Anhang 3.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.

1 Apparativer Aufbau/Präparation

1.1 Messaufbau Der zur elektrochemischen Abscheidung atomarer metallischer Kontakte verwendete Messaufbau ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Er besteht aus einer elektrochemischen Zelle, gefüllt mit einem Metallionen-haltigen Elektrolyten, und potentiostatisch kontrollierten Elektroden. Als Arbeitselektroden dienen zwei auf einem Glassubstrat fixierte Goldelektroden, die mit einem Abstand in der Größenordnung von 100 nm elektrisch voneinander isoliert sind. Beide Goldelektroden sind bis auf einen mikroskopischen Bereich um die Kontaktregion mit einem Polymer-Lack gegen den Elektrolyten isoliert. Durch Anlegen eines elektrochemischen Potentialunterschieds zwischen den Arbeitselektroden und einer (Pseudo-)Referenzelektrode werden Metallinseln (hier im Beispiel Silberinseln) auf dem freiliegenden Bereich der Goldelektroden abgeschieden. Gleichzeitig wird die Leitfähigkeit zwischen beiden Arbeitselektroden erfasst. Dies erfolgt solange, bis sich zwei auf verschiedenen Goldelektroden aufgewachsenen Metallinseln berühren und die Lücke zwischen den beiden Goldelektroden elektrisch leitend schließen.

1.2 Elektrochemisches System zur Silberabscheidung Für die elektrochemische Abscheidung von atomaren Kontakten aus Silber wurde als Elektrolyt eine wässrige Silber-Nitratlösung (0,1 mM AgNO3 + 0,1 M HNO3, gelöst in bidestilliertem Wasser) verwendet. Als (Pseudo-)Referenz- und Gegenelektrode werden jeweils Silberdrähte mit 0,25 mm Durchmesser (Reinheit 99,9985 %).

1.3 Elektrochemische Abscheidung atomarer Silberkontakte Zur Abscheidung von Silber wird an die (Pseudo-)Referenzelektrode eine positive Kontrollspannung zwischen 2 mV und 40 mV angelegt. Dies entspricht einem Abscheidepotential zwischen -2 mV und -40 mV (jeweils vs. Ag/ Ag+) an einer der beiden Arbeitselektroden (hier Goldelektrode (1) genannt). Die zweite Arbeitselektrode, Goldelektrode (2), befindet sich konstant auf einem im Vergleich zur Goldelektrode (1) um Umess erniedrigten Potential.

Im diesem Beispiel wurde eine Messspannung Umess von -12,9 mV verwendet. Dies bedeutet, dass sich die Goldelektrode (2) auf einem um 12,9 mV niedrigeren Abscheidepotential als die Goldelektrode (1) befand: Da die Goldelektrode (2) ein negativeres Abscheidepotential als die Elektrode (1) aufweist, scheidet sich auf ihr auch tendenziell mehr Silber ab.

Zur Erzeugung atomarer Kontakte wird nun durch Anlegen einer positiven Kontrollspannung - was dem Anlegen eines Abscheidepotentials an den Arbeitselektroden entspricht - solange Silber auf beiden Elektroden abgeschieden, bis sich zwei Silberinseln berühren und diese Inseln die Goldelektroden leitend verbinden. Dies wird durch eine kontinuierliche Messung des Leitwerts zwischen den beiden Goldelektroden während der Abscheidung überprüft. Mit einem speziell entwickelten Computerprogramm ist es nun möglich, die Abscheidung bei einem vorgegebenen Leitwert zu stoppen bzw. den Kontakt durch Anlegen einer negativen Kontrollspannung - was dem Anlegen eines Auflösepotentials an den Goldelektroden entspricht - wieder aufzulösen.

Auf diese Weise lassen sich elektrochemisch abgeschiedenen atomaren Silberpunktkontakte mit quantisierten Leitwerten herstellen. Die Messung erfolgte bei Raumtemperatur. Der Leitwert des atomaren Silberkontaktes betrug ca. 1 Go- Nachdem der Silberkontakt abgeschieden wurde, wurde die Kontrollspannung auf einen Wert von -29 mV erniedrigt. (Zur Verdeutlichung: Dies entspricht einem elektrochemischen Auflösepotential von +29 mV vs. Ag/Ag+ der Goldelektrode (1) bzw. von (+29 mV- 12,9 mV = 16,1 mV) vs. Ag/Ag+ der Goldelektrode (2)). Als Folge des Auflösen des Kontaktes springt der Leitwert auf null.

Nach Erhöhen der Kontrollspannung auf +2 mV schied sich erneut Silber auf den Arbeitselektroden ab. Dies erfolgte solange, bis sich ein neuer Kontakt gebildet hatte und damit der Leitwert wieder auf einen Wert von 1 Go anstieg. Anschließend wurde die Abscheidung gestoppt. Die Abweichung des gemessenen Leitwerts von dem exakten Wert von Go = 2e2/h betrug in diesem Fall weniger als 1 %.

2 Atomares Schalten

2.1 Gezieltes atomares Schalten

„Trainieren" von Kontaktkonfigurationen durch Zyklisieren Zur Erzeugung bistabiler Kontakte wird ein Verfahren verwendet, bei dem durch mehrmaliges zyklisches elektrochemisches Abscheiden und Auflösen ein atomarer Kontakt „trainiert" wird, d. h. es werden solange verschiedene Kontaktkonfigurationen erzeugt, bis sich eine bistabile Konfiguration einstellt. Dazu wurde ein Computerprogramm entwickelt, mit dem die entsprechenden Parameter vorgewählt werden können und der zyklische Prozess automatisch durchlaufen wird. Im Folgenden wird ein Beispiel der Erzeugung eines Schalters zwischen null und 1 Go beschrieben. Zunächst wurde ein atomarer Kontakt abgeschieden. Sobald der Leitwert eine obere Schwelle (hier 0,94 Go) nahe dem gewünschten Leitwert für den „ein"-Zustand (On- state, 1 Go) erreicht hatte, wurde die Abscheidung gestoppt und der folgende computergesteuerte Zyklus gestartet: Durch Anlegen einer auflösenden Kontrollspannung wurde der Kontakt aufgelöst bis der Leitwert unter eine untere Schranke (Off-State, hier 0,05 Go) fiel. Anschließend wurde erneut eine abscheidende Kontrollspannung angelegt, bis der Leitwert den oberen Schwellwert überschritten hat. Danach wurde ein neuer Auflöse- /Abscheide-Zyklus gestartet, usw.

Während der ersten Auflöse-/ Abscheide-Zyklen eines sich neu formenden Kontaktes treten oftmals Schwankungen des Leitwerts zwischen den verschiedenen Durchgängen auf. In der Regel findet im Laufe der Zeit spontan ein übergang von unregelmäßigen Schwankungen des Leitwerts zu einem kontrollierten durch die Kontrollspannung gesteuerten Schalten zwischen zwei Niveaus (hier zwischen null und 1 Go) statt.

Periodisches Schalten In Abb. 2 ist ein Beispiel für eine Abfolge von fünf Schaltvorgängen eines atomaren Schalters, der durch das gerade beschriebene Verfahren erzeugt wurde, dargestellt. Der atomare Silberkontakt schaltet zwischen einem „aus"-Zustand mit Leitwert null und einen „ein"-Zustand mit Leitwert 1 Go, gesteuert durch Anlegen einer externen elektrochemischen Kontrollspannung. Diese Kontrollspannung ist in Abhängigkeit von der Zeit in Abb. 2 (a) dargestellt, während Abb. 2 (b) den gleichzeitig gemessenen Leitwert wiedergibt. Jede änderung in der Kontrollspannung wird gefolgt von einem Schalten des Leitwerts des atomaren Silberkontaktes.

Die einzelnen Schaltprozesse selbst erfolgen sehr reproduzierbar: Im Falle des in Abb. 2 dargestellten Schalters konnten mehr als 1000 durch die Kontrollspannung gesteuerte Schaltvorgänge zwischen den Leitwerten null und 1 Go beobachtet werden. Weiterhin konnten solche Schalter mit mehreren verschiedenen Kontakten reproduziert werden. Wertet man die 1000 Schaltvorgänge aus, ergibt sich eine Wiederholungsgenauigkeit von 0,8 % (Standardabweichung) zwischen den Leitwerten, die bei den einzelnen Schaltvorgängen erreicht werden. Das Rauschen des quantisierten „ein"-Zustandes beträgt weniger als 0,4 %. Weiterhin konnte die Abweichung des mittleren gemessenen Leitwertes vom theoretisch vorhergesagten Wert von 1 Go zu lediglich 1,0 % bestimmt werden. Das Verhältnis der Leitwerte zwischen „ein"- und „aus"-Zustand wird dadurch begrenzt, dass der Leitwert des „aus"-Zustandes aufgrund elektrochemischer Leckströme nicht genau null beträgt. Abhängig von der individuellen Konfiguration des Kontaktes ergeben sich typischerweise Verhältnisse zwischen 1000 und mehr als 3000. Der eigentliche Schaltvorgang im Leitwert folgt nicht sofort der angelegten Kontrollspannung, sondern es verstreicht eine gewisse Zeitdauer zwischen änderung der Kontrollspannung und der Auswirkung auf den Kontakt. Diese charakteristische Zeitdauer hängt von der Kontaktgeometrie und der Ionen-Konzentration des Elektrolyten ab und beträgt im hier verwendeten Aufbau einige Sekunden.

Die eigentliche Schaltzeit des übergangs ist allerdings wesentlich kürzer, wie Abb. 3 zeigt: Dort ist die abfallende Flanke eines Schaltvorganges aus einer reproduzierbaren Abfolge von übergängen zwischen den Leitwerten null und 2 Go mit einer Zeitauflösung im μs-Bereich dargestellt. Zunächst verläuft der Leitwert nahezu konstant bei etwa 2 Go. Der eigentliche Schaltvorgang beginnt mit einer etwa 50 μs andauernden Vorphase (t0 in Abb. 3), in der der Leitwert langsam auf etwa 1,7 Go fällt, bevor der eigentliche Schaltvorgang (t\) stattfindet.

Für die Dauer des eigentlichen Schaltvorganges (ti in Abb. 3) kann aufgrund einer zu geringen Zeitauflösung der Messelektronik lediglich eine obere Grenze von 14 μs angegeben werden. In weiteren Experimenten mit verbesserter Elektronik konnten bereits Schaltprozesse mit Zeitdauern von < 3 μs beobachtet werden. Auch diese gemessene Zeitdauer ist noch durch eine zu geringe experimentelle Zeitauflösung begrenzt. Die eigentliche Schaltgeschwindigkeit sollte viel höher liegen, da - im Gegensatz zu anderen Verfahren - hier die einzigen beweglichen Teile des Schalters einzelne Atome sind und somit die physikalischen Grenzen der Schaltfrequenzen im Tera-Hertz-Bereich [17] liegen. Gezieltes Ansteuern Mit der soeben vorgestellten Methode des „Trainierens" einer atomaren Schaltkonfiguration lassen sich nicht nur Schalter mit Leitwerten zwischen null und 1 Go herstellen, sondern es ist auch möglich, Schaltvorgänge zwischen null und anderen frei wählbaren ganzzahligen Vielfachen von Go zu erzeugen. Ein Ausschnitt eines so erzeugten Kontaktes, der zwischen null und 2 Go schaltete, wurde bereits in Abb. 3 dargestellt.

Ein weiteres Beispiel ist in Abb. 4. dargestellt: Entscheidend ist dabei die Wahl des oberen Schwellenleitwertes beim zyklischen elektrochemischen Abscheiden und Auflösen des Kontaktes. Will man z. B. einen Schalter zwischen null und 3 Go erzeugen, so wählt man einen oberen Schwellwert von fast 3 Go- Als Folge des Trainingsprozesses bildet sich ein Kontakt, dessen Leitwert durch eine äußere Kontrollspannung zwischen null und 3 Go schaltbar ist (siehe Abb. 4). Die Signalform mit der die Kontrollspannung in Abhängigkeit von der Zeit angelegt wird (hier dreiecksförmig) hat keinen Einfluss auf den Schaltvorgang des Leitwerts, der digital zwischen zwei Werten verläuft.

In Abb. 4 wird weiterhin die Möglichkeit demonstriert, den periodischen Schaltprozess zu unterbrechen und ein bestimmtes Leitwertniveau konstant bei zu behalten. Dazu wird eine Halte-Kontrollspannung (hier -14 mV) angelegt, die so gewählt wurde, dass sich am Kontakt ein lokales elektrochemisches Gleichgewichtspotential einstellte. Diese bewirkte, dass lokal keine weitere elektrochemische Abscheidung von Atomen oder Auflösung des atomaren Kontaktes stattfand und somit der Leitwert als Funktion der Zeit konstant blieb. In Abb. 4 ist dieses Verhalten sowohl für den „aus"-Zustand (linker Pfeil) als auch für den „ein"-Zustand (rechter Pfeil) zu erkennen. Der atomare Schalter kann somit, gesteuert durch die Kontrollspannung, in drei verschiedenen Modi betrieben werden: Einschalten des Stromes, Ausschalten und Halten des zuletzt eingenommenen Zustandes. Ein solcher Schalter bildet somit die Basis für logische Schaltelemente auf atomarer Skala. 2.2 Zusammenfassung der Experimente zum bistabilen Schalten Im Rahmen der gegebenen Beispiele wurde ein Verfahren vorgestellt, dass es erlaubt, durch zyklisches elektrochemisches Abscheiden und Auflösen zwischen zwei Schwellleitwerten, einen bistabilen atomaren Schalter herzustellen. Diese stellen die ersten atomaren Schalter dar, die durch eine externe Steuerelektrode kontrolliert werden und bei denen die einzigen sich bewegenden Elemente einzelne Atome sind.

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 (α) gibt eine Illustration des Grundprinzips des auf einem metallischen Quantenpunktkontakt basierenden Schaltens auf atomarer Skala wieder. Die kontaktierenden Atome werden durch eine extern angelegte Gate-Spannung hin und her bewegt, was zu einem durch die Gate-Spannung kontrollierten öffnen und Schließen des Kontakts auf atomarer Skala führt, (b) gibt eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus wieder. Durch Anlegen eines elektrochemischen Abscheidepotentials, gesteuert über die Gate- Spannung, wird in diesem Beispiel Silber in die nanoskalige Lücke zwischen den Goldelektroden („Source " und „Drain ") elektrochemisch abgeschieden, während gleichzeitig die Leitfähigkeit zwischen den Goldelektroden mit einer Messspannung von typischerweise 12,9 mV gemessen wird. Durch wiederholtes Computer-kontrolliertes elektrochemisches Zyklisieren wird ein bistabiler Schalter auf atomarer Skala hergestellt.

Abb. 2: Schalten des Leitwerts, gesteuert durch eine Kontrollspannung UκontmU-' Durch Variation der Kontrollspannung (a) wird der Leitwert des atomaren Silberkontakts (b) zwischen einem nicht leitenden ,, aus "-Zustand und einem „ ein "-Zustand mit einem quantisierten Leitwert von 1 Go geschaltet. Die Kurven stellen die ungefilterte Messdaten dar und zeigen einen scharfen übergang zwischen den zwei Zuständen. Das Experiment demonstriert einen atomaren Schalter, der extern durch eine Kontrollspannung gesteuert wird. Abb. 3: Zeitabhängigkeit des Schaltprozesses: Dargestellt ist die abfallende Flanke des Leitwerts in Abhängigkeit von der Zeit bei Auflösen eines atomaren Silberkontaktes. Der Ausschnitt ist Teil einer längeren Abfolge von periodischen Schaltvorgängen zwischen den Leitwerten null und 2 Go- Der Schaltvorgang beginnt mit einer etwa 50 μs dauernden Vorphase, worauf der eigentliche Schaltvorgang innerhalb eines Zeitraums von weniger als J 4 μs folgt.

Abb. 4: Demonstration des Schaltens des Leitwerts zwischen null und einem vorgewählten höheren Leitwert von 3 Go- Der Leitwert des atomaren Schalters (b) wird direkt durch die Kontrollspannung Uκontroiι (a), angelegt zwischen der elektrochemischen Steuerelektrode und den Gold-Arbeitselektroden, gesteuert. Wird die Kontrollspannung auf ein „Halte-Niveau" gelegt (Pfeile), verbleibt der atomare Schalter stabil auf seinem Leitwert-Niveau.

Literaturverzeichnis