Man nehme einen Bleistift, in die Mitte säge man eine kleine Lücke. In diese Lücke stecke man eine kleine Glühlampe. Jetzt verkleinere man die ganze Konstruktion auf ein Zehn-Millionstel ihrer Gesamtlänge. So ungefähr muss man sich vorstellen, was Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie gemacht haben. Sie bauten auf Basis eines einzelnen Moleküls eine winzige Lichtquelle. Quasi eine molekulare Taschenlampe.
"Also es hat schon gewisse Komponenten von einer Taschenlampe nur, es ist eher eine molekulare Glühbirne wenn man so will, die sich nicht richtig für die Ausleuchtung von Räumen eignet, wie man das normalerweise von einer Taschenlampe erwartet, sondern die eignet sich eher dazu, oder wird sich hoffentlich in der Zukunft eignen, um Informationen zu übertragen. Also mit Licht, welches das Molekül emittiert, zur Informationsübertragung auf sehr kurzen Strecken zu Nutzen. Also beispielsweise auf einem Computerchip",
beschreibt Ralph Krupke das winzige optoelektronische Bauelement. Wird es mit Energie versorgt, leuchtet es. Solche Bauelemente gibt es schon heute. Nur viel größer. Sie werden zum Beispiel bei der Datenübertragung über Glasfaserkabel eingesetzt. Das neue Modul aber ist winzig klein. Nur wenige Nanometer misst es der Länge nach. Und statt des Bleistifts haben die Forscher eine Kohlenstoffnanoröhre genommen. Die Glühlampe ist ein ganz spezielles Molekül.
"Das Molekül selber, dass muss man sich vorstellen, ist ein stäbchenförmiges Molekül. Es hat einen Leuchtkern, einen sogenannten Chromophor, der ist so synthetisiert, dass er bei einer bestimmten Wellenlänge Licht emittieren kann, sofern er elektrisch dazu angeregt wird."
Das Molekül muss jetzt nur noch mit den Kohlenstoffröhrchen verbunden werden. Die Lösung sind sogenannte molekulare Arme, Zuleitungen, die Teil des Moleküls sind. Daher, so Krupke, komme auch die Stäbchenform des maßgeschneiderten Moleküls.
"Diese Elemente haben eben die Funktion, dass sie zum einen auf der einen Seite eben den Kontakt herstellen zu diesen Kohlenstoffnanoröhrenelektroden. Und eben auf der anderen Seite dazu führen, dass wenn ich jetzt von außen eine Spannung anlege an dieses Bauelement, dass eben Elektronen von der Kohlenstoffnanoröhre über diese molekularen Arme auf diesen Chromphorkern, diesen Leuchtkern geraten und dort eben zur Erzeugung von Licht beitragen."
Das Konstrukt aus Leuchtkern und Nanoröhrchen stellten die Forscher in mehreren Arbeitsschritten her. Sie beginnen mit den Kohlenstoffnanoröhren, kurz CNT.
"Wir scheiden erst diese CNTs-Auslösung an der Oberfläche ab und was wir dann machen ist, dass wir eine winzige Lücke erzeugen in einer solchen Kohlenstoffnanoröhre, deren Größe ziemlich genau der Länge dieses stabförmigen Moleküls entspricht."
In die nur rund sieben Nanometer große Lücke des Kohlenstoffröhrchens wird das Molekül bugsiert. Das Röhrchen selbst liegt auf Kontakten aus Palladium. So kann eine Spannung an das Bauelement angelegt werden. Die Palladium-Kontakte wiederum liegen auf einer isolierenden Schicht Silizium-Dioxid. So haben die Forscher eine Struktur geschaffen, die mit der klassischen Halbleitertechnik kompatibel ist. Theoretisch könnte das Nano-Bauelement in nicht allzu ferner Zukunft in die Computertechnik integriert werden, sagt Ralph Krupke.
"Was man sich vorstellen kann, ist Informationsübertragung auf einem Computerchip über Licht anstelle mit Elektronen. Das ist überhaupt ein Trend der sich abzeichnet, weil grundsätzlich sich mit Licht Informationen schneller übertragen lassen als mit Elektronen."
Doch dafür muss man auf dem Chip Licht erzeugen, Licht leiten und auch Licht empfangen können. Aber bis es soweit ist, werden noch viele weitere Chip-Generationen herkömmlicher Art entstehen und wieder veralten.
"Also es hat schon gewisse Komponenten von einer Taschenlampe nur, es ist eher eine molekulare Glühbirne wenn man so will, die sich nicht richtig für die Ausleuchtung von Räumen eignet, wie man das normalerweise von einer Taschenlampe erwartet, sondern die eignet sich eher dazu, oder wird sich hoffentlich in der Zukunft eignen, um Informationen zu übertragen. Also mit Licht, welches das Molekül emittiert, zur Informationsübertragung auf sehr kurzen Strecken zu Nutzen. Also beispielsweise auf einem Computerchip",
beschreibt Ralph Krupke das winzige optoelektronische Bauelement. Wird es mit Energie versorgt, leuchtet es. Solche Bauelemente gibt es schon heute. Nur viel größer. Sie werden zum Beispiel bei der Datenübertragung über Glasfaserkabel eingesetzt. Das neue Modul aber ist winzig klein. Nur wenige Nanometer misst es der Länge nach. Und statt des Bleistifts haben die Forscher eine Kohlenstoffnanoröhre genommen. Die Glühlampe ist ein ganz spezielles Molekül.
"Das Molekül selber, dass muss man sich vorstellen, ist ein stäbchenförmiges Molekül. Es hat einen Leuchtkern, einen sogenannten Chromophor, der ist so synthetisiert, dass er bei einer bestimmten Wellenlänge Licht emittieren kann, sofern er elektrisch dazu angeregt wird."
Das Molekül muss jetzt nur noch mit den Kohlenstoffröhrchen verbunden werden. Die Lösung sind sogenannte molekulare Arme, Zuleitungen, die Teil des Moleküls sind. Daher, so Krupke, komme auch die Stäbchenform des maßgeschneiderten Moleküls.
"Diese Elemente haben eben die Funktion, dass sie zum einen auf der einen Seite eben den Kontakt herstellen zu diesen Kohlenstoffnanoröhrenelektroden. Und eben auf der anderen Seite dazu führen, dass wenn ich jetzt von außen eine Spannung anlege an dieses Bauelement, dass eben Elektronen von der Kohlenstoffnanoröhre über diese molekularen Arme auf diesen Chromphorkern, diesen Leuchtkern geraten und dort eben zur Erzeugung von Licht beitragen."
Das Konstrukt aus Leuchtkern und Nanoröhrchen stellten die Forscher in mehreren Arbeitsschritten her. Sie beginnen mit den Kohlenstoffnanoröhren, kurz CNT.
"Wir scheiden erst diese CNTs-Auslösung an der Oberfläche ab und was wir dann machen ist, dass wir eine winzige Lücke erzeugen in einer solchen Kohlenstoffnanoröhre, deren Größe ziemlich genau der Länge dieses stabförmigen Moleküls entspricht."
In die nur rund sieben Nanometer große Lücke des Kohlenstoffröhrchens wird das Molekül bugsiert. Das Röhrchen selbst liegt auf Kontakten aus Palladium. So kann eine Spannung an das Bauelement angelegt werden. Die Palladium-Kontakte wiederum liegen auf einer isolierenden Schicht Silizium-Dioxid. So haben die Forscher eine Struktur geschaffen, die mit der klassischen Halbleitertechnik kompatibel ist. Theoretisch könnte das Nano-Bauelement in nicht allzu ferner Zukunft in die Computertechnik integriert werden, sagt Ralph Krupke.
"Was man sich vorstellen kann, ist Informationsübertragung auf einem Computerchip über Licht anstelle mit Elektronen. Das ist überhaupt ein Trend der sich abzeichnet, weil grundsätzlich sich mit Licht Informationen schneller übertragen lassen als mit Elektronen."
Doch dafür muss man auf dem Chip Licht erzeugen, Licht leiten und auch Licht empfangen können. Aber bis es soweit ist, werden noch viele weitere Chip-Generationen herkömmlicher Art entstehen und wieder veralten.