Rechnen mit organischen Molekülen – von der Zukunftsvision zur Praxis

Der Fortschritt der Computertechnologie vollzog sich in den vergangenen Jahrzehnten mit erstaunlicher Geschwindigkeit. Um diese beibehalten zu können, müssen die Bauteile kleiner werden oder alternative Rechenkonzepte erarbeitet werden. Bei beiden Konzepten spielen organische Moleküle eine wichtige Rolle.

Die digitale Elektronik basiert auf Halbleitern wie Silizium und Germanium. In Kombination mit der seit mehr als drei Jahrzehnten gebräuchlichen Lithographie – das Erzeugen von Strukturen auf Halbleitern mittels Belichtung und Verwendung eines chemischen Ätzprozesses – werden Schaltkreise kreiert, welche die Grundlage der Computertechnologie bilden. Beide technologischen Ansätze sind bewährt und dominieren sicherlich noch über viele Jahre die Elektronik. Dennoch sind die physikalischen Grenzen dieser technischen Konzepte absehbar. So basiert die optische Lithographie auf Licht, dessen Wellenlänge man laufend verringern muss, um immer kleinere Strukturen abbilden zu können. So haben die Transistoren gebräuchlicher Chips (Pentium III) einen Gate-Abstand (der Abstand zwischen Kollektor und Emitter) von 180 Nanometern. In Entwicklung sind Transistoren mit einem Gate-Abstand von weniger als 100 Nanometern. Damit erreicht man bald einmal die Grenze von Strukturgrössen, welche mit dem bisherigen Laserlicht erzeugt werden können. Unter Verwendung von extrem Ultraviolettlicht, so genanntes EUV-Licht, mit einer Wellenlänge um 13 Nanometer sollen Strukturen bis zu 30 Nanometer möglich werden. Dann aber erreicht man eine weitere physikalische Grenze: In Halbleiter-Transistoren mit einer Gate-Breite von weniger als 25 Nanometern führen Tunnelströme zu Fehlschaltungen. Tunnelströme werden durch die Quantentheorie erklärt, wonach sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen über einen gewissen räumlichen Bereich erstreckt, was im Fall sehr kleiner Strukturen das Überwinden von nicht leitenden Barrieren ermöglicht. Solche Computerchips können nicht mehr funktionieren.

Noch ist der Spielraum gross

Trotz dieser Einschränkungen sehen die Theoretiker noch einen grossen Spielraum für die künftige Elektronik. Könne man etwa Moleküle als elektronische Bauteile einsetzen, ist eine Verkleinerung der Strukturen auf wenige Nanometer denkbar. Tunneleffekte könnten vermieden werden, da die Elektronen in einem gewissermassen gebundenen Zustand das Molekül durchqueren. Ausserdem könnte der Energieverbrauch der Chips noch weit mehr gesenkt werden. Heutige Computerchips erlauben etwa 3 Millionen (106) Additionen pro Joule, doch der Physiker Rolf Landauer berechnete bereits 1961 ein theoretisches Limit von 3 Trillionen (1018) Additionen pro Joule. Es stellt sich nur die Frage, mit welcher Technologie solche absoluten Grenzen erreicht werden könnten.

Zwei Ansätze drängen sich auf: Entweder man wechselt das Material oder setzt auf alternative physikalische Effekte als Träger des Berechnungsvorgangs. Letzterer wird unter den Stichworten Quantencomputer, „Spintronics“ und „DNA-computing“ erforscht. Beim Quantencomputer erhofft man sich eine wesentliche Steigerung der Rechengeschwindigkeit aufgrund der Tatsache, dass sich Quantensysteme gewissermassen in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden könnten (die so genannte kohärente Überlagerung von Zuständen). Damit könnte man zwei Operationen auf einen Schlag ausführen. Die „Spintronic“ wiederum will statt der Ladung den Spin von Elektronen als Informationsträger nutzen. Die theoretischen Möglichkeiten dieses Ansatzes sind ebenfalls viel versprechend. Vorgeschlagen werden etwa Chips mit quasi flexibel änderbaren logischen Schaltungen („reconfigurable computing“). Dass auch organische Moleküle eine Rolle bei alternativen Rechenkonzepten spielen können, zeigt das seit mehreren Jahren erforschte DNA-Computing. Für bestimmte Rechenprobleme (beispielsweise das Problem des „Hamiltonschen Weges“ – das Finden eines Weges auf einem gerichteten Graphen, der alle Knoten des Graphen genau einmal besucht) ist DNA-Computing bereits angewendet worden.

Der Weg zur molekularen Elektronik

Als andere interessante Variante hat sich in den vergangenen Jahren die Suche nach alternativen Materialien für den Bau elektronischer Bauteile etabliert. Besonders hier spielen organische Moleküle eine wichtige Rolle – man will eine „molekulare Elektronik“ kreieren. Die Ursprünge dieses Konzepts finden sich in den frühen 1970er Jahre. Erste Versuche über den Ladungstransfer durch molekulare Monoschichten fanden 1971 statt. 1974 formulierten Arieh Aviram und Mark Ratner im wegweisenden Paper „Molecular rectifiers“ das theoretische Konzept der „Molectronics“ . In den 1980er Jahren wurden erste methodische Ansätze entwickelt und gegen Ende der 1990er Jahre wurden die ersten Prototypen elektronischer Bauteile auf molekularer Ebene gebaut – so der erste molekulare Schalter (1999) und der erste molekulare Transistor (2000). Im Jahr 2001 rief die DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency der USA) das „Molectronics program“ ins Leben.

Einige Wissenschaftler trauen der „Molectronics“ das Potenzial zur Erreichung der fundamentalen Grenzen von Berechnungs- und Speicherungsvorgängen in Materie zu. So will man Chips mit einer Trillion Transistoren pro Quadratzentimeter bauen und Speicherdichten von einem Terabit pro Quadratzentimeter erreichen. Dies soll erst noch billiger werden, da man sich den Produktionsprozessen der Chemie statt der Lithographie bedienen will. Auch die Schaltzeiten in Molekülen sollen um Grössenordnungen schneller sein als in der Silizium-basierten Technologie. Einer der Protagonisten des DARPA-Molectronic-Programms, Kwan S. Kwok, formulierte das Grundziel in den Worten: „Computation should become a property of matter.“

Gewiss sind solche Prognosen mit einer gewissen Vorsicht zu geniessen. Andererseits sind einige wichtigen Konzepte in den vergangenen Jahren im Labor Realität geworden, sowohl im Bereich der Entwicklung von Schaltelementen als auch im Bereich der Opto-Elektronik – also dem Bau von Displays oder auch Lichtwandlern (Umwandlung von Stromimpulse in Lichtimpulse), welche in der Telekommunikation von grosser Bedeutung sind. Zwei zentrale Probleme sind der Transport von Ladungsträgern durch ein organisches Molekül und die Verbindung eines solchen Moleküls zu den Metallatomen der anderen Schaltkreiskomponenten. In beiden Fällen sind Potenzialbarrieren zu durchbrechen, welche den Ladungstransport verhindern. Um letzteres Problem zu lösen, werden Thiol-Gruppen (Schwefelatome) an die organischen Moleküle gebunden, welche einen Kontakt zu Metallatomen (Gold) eingehen können.

„Proof of concept“ und praktische Probleme

Ein konzeptionelles Beispiel für einen molekularen Schalter wurde im Jahr 2000 vorgestellt: Hier wechselt man den Oxidationszustand eines Moleküls derart, das je nach Zustand ein Stromfluss durch das Molekül möglich ist oder nicht. Für den Bau von molekularen Transistoren wurden gleich eine Reihe von Realisierungen vorgestellt: Der älteste molekulare Transistor-Vorschlag basiert auf einem piezoelektrischen (mechano-elektrischen) Effekt und benutzt ein C60-Fulleren, das mit der atomaren Spitze eines Raster-Tunnel-Mikroskops eingeklemmt wird und je nach mechanischem Druck Strom fliessen lässt oder nicht . Andere Forscher bauten molekulare Transistoren mittels Nanoröhren . Eines der „neueren“ Modelle verwendet einen organischen Molekülkomplex mit einem Kobalt-Ion als „aktives Element“ .

Bei all diesen Realisierungen handelt es sich aber derzeit noch um reine Grundlagenforschung, die von Anwendungen noch weit entfernt sind. Ein Grundproblem liegt in der Verschaltung der einzelnen molekularen Schaltelemente zu einem funktionierenden Ganzen. Man ist sich offenbar einig, das dies nicht mehr in einem „Top-down“ verfahren (also etwa mit einer lithographischen Vorlage) geschehen kann, sondern gewissermassen mittels einem selbstorganisierten Prozess „bottom up“ passieren soll. Dies wird auch dazu führen, dass neue, defekt-tolerante Computerarchitekturen gefunden werden müssen, die mit den zu erwartenden höheren Fehlerdichte in solchen Prozessoren fertig werden können. Ansätze für solche Selbstorganisations-Verfahren stammen aus der Gentechnik. So ist es gelungen, DNA-Fragmente an Nanoröhren zu koppeln, die dann mit anderen DNA-Fragmenten eine Verbindung eingehen könnten und damit die Architektur der Schaltung selbstorganisiert bilden könnten.

Organische Moleküle spielen aber nicht nur eine Rolle bei einer künftig möglichen molekularen Elektronik. Als weiteres Anwendungsfeld sehen Forscher den Aufbau einer eigentlichen „Plastik-Elektronik“ unter Einsatz leitender Polymere. Solche Schaltkreise wären flexibel und könnten dereinst gar mit einem einfachen Druckverfahren analog zum Tintenstrahldrucker hergestellt werden. Vorteile dieses Ansatzes wäre eine sehr kostengünstige Elektronik für spezifische Anwendungen wie etwa „intelligente Etiketten“ für Produkte mit kurzfristig wechselnden Preisen. Auch in der Bildschirmtechnologie ergeben sich neue Möglichkeiten: Organische LED (Flachbildschirme) für Handys sind bereits auf dem Markt und Firmen, wie die amerikanische „Universal Display Corporation“, versuchen, flexible Bildschirme zu produzieren. Organische Stoffe haben also bereits heute eine Bedeutung in der Elektronik erhalten, die sich in naher Zukunft zweifellos erhöhen wird.