Selbstassemblierte molekulare Monolage zwischen Silizium Elektroden

Heutige mikro- und nanoelektronische Bauelemente beruhen auf Halbleitertechnologien. Die immer weiter wachsenden Anforderungen an die Mikroelektronikindustrie hinsichtlich der Integrationsdichte von Transistoren werden allerdings in naher Zukunft einen Paradigmenwechsel bewirken, welcher sich besonders in den verwendeten Materialien, der Art des Rechnens und den Rechnerarchitekturen widerspiegeln wird. Im Rahmen zweier neuer europäischer Projekte werden an der Professur für Materialwissenschaft und Nanotechnik an der TU Dresden unter der Leitung von Prof. Dr. Gianaurelio Cuniberti neuartige Strategien für die Entwicklung  unkonventioneller Rechenarchitekturen untersucht.

Im  Projekt SYMONE (SYnaptic MOlecular NEtworks for Bio-inspired Information Processing) werden die Wissenschaftler zusammen mit Partnern aus Schweden, Israel, Frankreich und der Schweiz selbst-assemblierte nanoskalige Netzwerke, die aus nichtlinearen elementaren Blocks bestehen und die in der Lage sind Information zu verarbeiten. Die Arbeitsweise dieser  Netzwerke ist durch die Funktionsweise des neuronalen Netzes im Gehirn inspiriert, daher werden sie auch als neuromorphe Netze bezeichnet. Eine wichtige Eigenschaft solcher Netze ist, dass die lokalen Verbindungen zwischen den Netzwerkknoten durch maßgeschneiderte Moleküle vermittelt werden, die eine stark nichtlineare Antwort auf äußere Störungen, z.B. in Form einer angelegten Spannung zeigen. Dadurch zeigt die Funktionsweise des Netzes emergente Eigenschaften, d.h. die gesamte Antwort des Netzes auf eine äußere Störung lässt sich nicht als eine einfache Überlagerung individueller Reaktionen darstellen. Dieses internationale kooperative Projekt ist auf drei Jahre angelegt und wird von der EU insgesamt mit über drei Millionen Euro gefördert. Die beteiligten Forschungspartner sind weltweit führend in den Gebieten Nanotechnologie, Computersimulationen, Rechnerarchitekturen und chemische Synthese.

Das zweite von der Europäischen Union geförderte Projekt MOLARNET (Molecular Architectures for QCA-inspired Boolean Networks), an dem die Professur maßgeblich beteiligt ist, strebt eine alternative zu konventionellen Rechenmethoden an. Hierbei wird  die Kodierung von Information in Bits keinen Stromfluss mehr nötig machen: binäre Informationen werden in sogenannten Quantenzelluläre Automaten (QZA) gespeichert. Diese sind Elementarzellen, welche zwei oder mehr Zustände in Abhängigkeit der jeweiligen Umgebung annehmen können. Diese Zustände sind rein elektrostatischer Natur und erfordern daher keinen Stromfluss, was den Energieverbrauch auf solchen Prinzipien basierender Rechner deutlich verringern wird. Netzwerke aus QZA, die auf Molekülen basieren, stellen zukünftig somit eine Alternative zu den konventionellen Feldeffekttransistoren dar, die das wichtigste Bauelement der heutigen Elektronikindustrie darstellen.  Wie sich der Informationsfluss durch ein Netz aus QZA propagiert und wie er sich durch die molekulare Struktur der QZA kontrollieren lässt, steht im Zentrum der Untersuchungen des internationalen MOLARNET-Konsortiums, in dem sich Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, Frankreich  und Irland engagieren. Das auf vier Jahre angelegte Projekt MOLARNET wird mit vier Millionen Euro gefördert.

Beide Projekte fügen sich hervorragend in die Zielsetzung des Wissenschaftsstandorts Dresden ein, an dem Forschung und Entwicklung von neuen Materialien für Elektronik und Nanotechnologie eine zentrale Rolle spielen. Für die Region Dresden, mit den hier angesiedelten Unternehmen im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik und der hohen Dichte an universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen, stellt die Entwicklung von Technologien auf der molekularen Skala eine neue und potentiell bahnbrechende Herausforderung mit hohem Anwendungspotential dar. Weiterhin werden die in beiden Projekten zu behandelten Themenkomplexe optimal in den jüngst im Rahmen der Exzellenzinitiative genehmigten Exzellenzcluster Center for Advancing Electronics Dresden (CfAED) integriert und in enger Kooperation mit zahlreichen in diesem Flaggschiff der Dresdner Elektronikforschung aktiven Wissenschaftlern durchgeführt.

Informationen für Journalisten:
Prof. Dr. Gianaurelio Cuniberti
Fakultät Maschinenwesen
Professur für Werkstoffwissenschaft und Nanotechnik
Tel.: 0351 463-31420
g.cuniberti@tu-dresden.de