Neuer Transistor ermöglicht schnelles Umschalten zwischen Metall und Isolator

Wako (Japan) – Schnell schaltende Transistoren der Zukunft könnten vollständig auf Halbleiter wie Silizium verzichten. Denn auf der Suche nach neuen Materialien wurden nun Wissenschaftler in Japan fündig. Sie fertigten einen Transistor aus der Metallverbindung Vanadiumoxid, die sich per Spannungspuls von einem Isolator zu einem Metall wandeln kann. Dieser radikale Wechsel zwischen elektrisch isolierenden und leitenden Zuständen erlaubt prinzipiell viel effizientere und stromsparendere Prozessoren als alle bisher entwickelten Silizium-Schaltkreise. Einen ersten Prototyp ihres Metall-Isolator-Transistors stellten die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ vor.

„Die Natur dieses Metall-Isolator-Übergangs erlaubt einen nichtflüchtigen Arbeitsspeicher, der bei Raumtemperatur funktioniert“, erläutern Masaki Nakano und seine Kollegen vom RIKEN Advanced Science Institute in Wako. Denn wie kein anderes Material ändert Vanadiumoxid bei gerade mal 67 Grad Celsius radikal seine elektronischen Eigenschaften und wandelt sich vom Isolator zum metallischen Leiter. Den gleichen Wechsel konnte das Team um Nakano nun nicht über ein Aufwärmen, sondern viel einfacher mit einer elektrischen Schaltspannung von nur einem Volt erzielen.

Für diesen Erfolg deponierten die Forscher eine hauchdünne Vanadiumoxid-Schicht auf einem isolierenden Titandioxid-Kristall. Auf diese Schicht tröpfelten sie eine spezielle Flüssigkeit mit einer hohen Konzentration an freien Ladungsträgern. Sie wird in Fachkreisen daher auch Ionische Flüssigkeit genannt und besteht aus komplexen, organischen Molekülen. Über Elektroden aus Titan und Gold legten die Wissenschaftler nun die Schaltspannung an. Die Folge: Schlagartig wandelte sich das Vanadiumoxid reversibel von einem Isolator zu einem Metall.

Mit mehreren Analysemethoden überprüfte und bestätigte Nakano diesen Schaltprozess. Dabei erkannte er, dass nicht nur die Oberfläche des Vanadiumoxids, sondern die gesamte Schicht mit bis zu siebzig Nanometer Dicke diesen Wechsel der elektrischen Eigenschaften mitmachte. Gerade dieser dreidimensional wirkende Effekt ist dafür verantwortlich, dass Vanadiumoxid als Metall viel Raum für die Leitung von Elektronen bietet und damit im Prinzip mit deutlich geringeren Schaltströmen auskommt als heutige Silizium-Transistoren.

Bis zu einem extrem effizienten Vanadiumoxid-Chip, der sich zudem Daten ohne permanente Stromzufuhr merken kann, ist der Weg allerdings noch weit. Zuvor müsste die im Prototyp verwendete Ionische Flüssigkeit durch einen festen, strukturierbaren Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften ersetzt werden. Zudem wollen die Forscher die genaue Ursache für das rasche Schalten zwischen Isolator und Metall noch im Detail aufklären. Wenn diese Hürden überwunden werden können, wird es an Vanadium selbst kaum mangeln. Die Fördermengen an Vanadiumerzen summieren sich jährlich auf über 60.000 Tonnen. Von dem Rohstoff, der vor allem zur Veredlung von Stahl-Legierungen genutzt wird, sind heute vor allem in Südafrika, China und Russland Reserven von etwa sechzig Millionen Tonnen bekannt.