Untersuchung der kollektiven Schaltprozesse in elektrochemisch hergestellten atomaren Transistoren

Mit der Demonstration des Einzelatom-Transistors gelang es erstmals, ein aktives elektronisches Schaltelement auf atomarer Skala herzustellen. Details der zugrunde liegenden Schaltmechanismen sind jedoch insbesondere bei den multiatomaren Kontakten noch nicht verstanden. Kürzlich wurde ein ganz neuartiger Schaltmechanismus vorgeschlagen, der auf der kollektiven Einlagerung von Metallatomen in den Kontakt aus dem Elektrolyten beruht.

Ziel des Projektes ist es nun, in enger Zusammenarbeit zwischen zwei theoretischen Arbeitsgruppen am FZK (Theoretische Physik) und an der Universität Ulm (Theoretische Chemie) sowie der experimentellen Arbeitsgruppe an der Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Campus Süd die neuartigen kollektiven Schaltmechanismen auf atomarer Skala in elektrochemischer Umgebung zu untersuchen und Konzepte zu ihrer Beschreibung zu entwickeln.

In den Experimenten geht es vor allem darum, zeitaufgelöst die „Fingerprints“ der atomaren Umlagerungen im elektrischen Leitwert zu analysieren. Dies soll als Funktion unterschiedlicher Parameter erfolgen, wobei insbesondere der Einfluss der Ionenstärke sowie gezielt eingebrachter funktioneller Moleküle wichtige Rückschlüsse auf die Prozesse an der Metall-Elektrolyt-Grenzfläche erlauben sollten. In enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Untersuchungen sollen entsprechende theoretische Rechnungen unternommen werden. Dabei ist zunächst geplant, dass die Ulmer Gruppe effektive Potentiale zwischen zwei planaren Elektroden als Funktion von deren Abstand mit Hilfe von ab initio Gesamtenergiemethoden berechnet. Die Karlsruher Theorie kann dann mittels Monte-Carlo-Simulationen Modellrechnungen zum Kondensationsverhalten von Gasphasen-Atomen in diesem inhomogenen Oberflächenpotential durchführen. Eine Analyse der Transporteigenschaften und ein Vergleich mit dem Experiment soll sich hier anschließen. Weiterhin sollen, basierend auf den Monte-Carlo-Simulationen und in enger Rückkopplung mit dem Experiment, die strukturellen und elektronischen Eigenschaften möglicher Kontaktgeometrien mit ab initio Methoden überprüft werden, wobei insbesondere der Einfluss der Umgebungsbedingungen (Elektrolyt, Elektrodenpotential) berücksichtigt werden soll.