DE10105871A1

DE10105871A1 - Schaltkreisanordnung mit einem Schaltkreis mit mindestens einem molekular-elektronischen Molekül und einem Einzel-Elektronen-Transistor

Info

Publication number: DE10105871A1
Application number: DE10105871A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Roesner; Franz Hofmann; Johannes R Luyken; Jessica Hartwich
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: DE10105871C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltkreisanordnung. Eine Schaltkreisanordnung weist auf: einen Schaltkreis mit mindestens einem molekularelektronsichen Molekül mit einem Ausgang; einen Einzel-Elektronen-Transistor (SET) mit einem Eingang, wobei der Ausgang eines der molekularelektronischen Moleküle mit dem Eingang des SET gekoppelt ist. Die Gate-Elektrode und der Eingang des SET sind gekoppelt. Die Erfindung ermöglicht das Auslesen bzw. Auskoppeln eines Signals eines molekularelektronischen Schaltkreises mittels eines SET, mittels dem das Signal an einen herkömmlichen Schaltkreis ankoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltkreisanordnung.

Die herkömmliche Silizium-Mikroelektronik wird bei weiter voranschreitender Verkleinerung an ihre Grenzen stoßen. Insbesondere die Entwicklung zunehmend kleinerer und dichter angeordneter Transistoren von mittlerweile mehreren hundert Millionen Transistoren pro Chip wird in den nächsten zehn Jahren prinzipiellen physikalischen Problemen ausgesetzt sein. Wenn Strukturabmessungen von 80 nm unterschritten werden, werden die Bauelemente durch Quanteneffekte störend beeinflusst und unterhalb von Dimensionen von etwa 30 nm dominiert. Auch führt die zunehmende Integrationsdichte der Bauelemente auf einem Chip zu einem dramatischen Anstieg der Abwärme.

Als eine mögliche Nachfolgetechnik der herkömmlichen Halbleiterelektronik ist die Molekularelektronik bekannt, bei der sowohl Elektronenleitung als auch fundamentale Bauelementfunktionen von geeigneten Molekülen bereitgestellt werden. Eine Übersicht über das Gebiet der Molekularelektronik gibt beispielsweise [1]. Auf dem Gebiet der Molekularelektronik sind vorwiegend zwei Molekültypen geeignet, um elektronische Bauelementfunktionen zu realisieren. Dies sind einerseits Moleküle auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren und andererseits Moleküle auf der Basis von Polyphenylen.

Aus [1] sind Beispiele für molekularelektronische Moleküle bekannt, die infolge ihrer atomaren Struktur die Fähigkeit aufweisen, die Funktion eines elektrischen Leiters, eines elektrischen hochohmigen Bauelements bzw. einer Diode zu erfüllen. Ferner sind aus demselben Dokument Moleküle bekannt, welche die Funktion von Logik-Gattern wahrnehmen.

Demzufolge sind viele üblicherweise durch herkömmliche Elektronik realisierte Bauelementfunktionen auch durch molekularelektronische Moleküle zu bewerkstelligen, wobei die Molekularelektronik gegenüber der herkömmlichen Elektronik den Vorteil erheblich geringerer Dimension aufweist. Damit ist eine wesentlich kompaktere Anordnung von Schaltungen möglich und Probleme mit zu hoher Abwärme bestehen hier nicht. Allerdings weist die Molekularelektronik auch einen Nachteil auf, der ihre praktische Realisierung bislang behindert. Aufgrund der kleinen Dimension und der eingeschränkten Leitfähigkeit molekularelektronischer Moleküle sind die Ladungsmengen an den Ausgängen molekularelektronischer Schaltungen sehr gering. Diese sehr kleinen elektrischen Ladungen stellen jedoch das Ausgabesignal einer molekularelektronischen Schaltung dar, das auszukoppeln bzw. auszulesen ist und das man an die wesentlich gröbere herkömmliche Mikroelektronik ankoppeln muss. Die Ankopplung des Ausgabesignals eines molekularelektronischen Schaltkreises an eine herkömmliche Elektronik ist bislang nicht gelungen.

Weiterhin ist ein Einzel-Elektronen-Transistors (SET) aus [2], [3] bekannt. Das Funktionsprinzip eines Einzel- Elektronen-Transistors wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Ein Einzel-Elektronen-Transistor (SET) 100 gemäß dem Stand der Technik weist auf: eine erste und eine zweite elektrisch isolierende Tunnelschicht 101, 102; eine elektrisch leitende Schicht 103; elektrisch leitende Zuleitungen 104; eine Gate- Elektrode 105 mit einer daran anliegenden Gate-Spannung U_G; eine Vorspannungsversorgung 106, mittels derer zwischen die beiden Tunnelschichten 101, 102 eine Vorspannung U_B anlegbar ist; und ein Amperemeter 107 zum Messen des Tunnelstroms zwischen den beiden Tunnelschichten 101, 102. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist die Gate-Elektrode 105, die mit der elektrisch leitenden Schicht 103 gekoppelt ist, und an der eine Gate- Spannung U_G anliegt, als Kasten mit gestrichelten Linien gezeichnet. Damit wird symbolisiert, dass die Gate-Elektrode 105 als Kondensator mit der Kapazität C_G ansehbar ist, an dem eine Spannung U_G anliegt. Ferner weisen die beiden Tunnelschichten 101, 102 jeweils eine Eigenkapazität C₁ bzw. C₂ auf.

Ein Tunnelstrom von Elektronen, die von der Spannungsquelle U_B 106 emittiert werden, durch die erste Tunnelschicht 101 hindurchtunneln, um auf die "inselartige" elektrisch leitende Schicht 103 zu gelangen, und die dann durch zweite Tunnelschicht 102 hindurchtunneln, tritt unter zwei Voraussetzungen auf. Erstens müssen die beiden Tunnelschichten hierfür ausreichend dünn sein, um den quantenmechanischen Tunneleffekt zu ermöglichen. Zweitens muss die Energiebilanz des Elektrons beim Tunneln negativ sein, d. h. das Tunneln muss energetisch günstig sein. Energetisch ungünstig ist es, dass bei Vorhandensein von bereits n Elektronen auf der Insel 103 ein weiteres Elektron die Feldenergie um den Betrag

erhöht, wobei e die Elementarladung und C die Gesamtkapazität der Anordnung, d. h. die Summe aus den Einzelkapazitäten C₁, C₂, C_G ist. Das Elektron muss die sogenannte "Coulomb- Schwelle" überwinden. Andererseits durchfällt das Elektron beim Tunneln eine Potentialdifferenz

Nur wenn die Differenz von E_C und E_P negativ ist, das heißt bei einer ausreichend großen Vorspannung U_B, ist ein Tunnelstrom möglich. Dies zeigt die Tunnelstrom-Vorspannungs- Charakteristik eines Einzel-Elektronen-Transistors von Fig. 2A. Erst nach Überwinden der "Coulomb-Schwelle" tritt ein Tunnelstrom auf. Auch durch Verändern von U_G lassen sich die Potentialstufen der Tunnelanordnung verändern, und wenn U_G erhöht wird, können nach und nach einzelne weitere Elektronen tunneln, was sich in der in Fig. 2B gezeigten Tunnelstrom- Gate-Spannungs-Charakteristik in Form von Oszillationen äußert. Das Abfallen bei diesen Oszillationen beruht auf Tunnelströmen in der entgegengesetzten Richtung, die bei zu starker Erhöhung der Gate-Spannung auftreten. Die Sensitivität des Einzel-Elektronen-Transistors ist also sehr hoch und bei einem Betrieb des Einzel-Elektronen-Transistors als hochempfindliches Elektrometer bzw. als Elektrometer- Verstärker sind Ladungsmengen von Bruchteilen der Elektronenladung nachweisbar. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass der Strom durch den Transistor sehr empfindlich von Änderungen der Gate-Spannung abhängt.

Wie oben erläutert, ist die Molekularelektronik mit dem Nachteil behaftet, dass ein an dem Ausgang eines molekularelektronischen Moleküls anfallendes Signal sehr geringe Ladungsmengen aufweist, die an die wesentlich gröbere konventionelle Elektronik nicht ankoppelbar sind, da diese Ladungsmengen üblicherweise unter der Nachweisgrenze für herkömmliche Mikroelektronik sind. Damit scheitert die Anwendung der Molekularelektronik bisher daran, dass im Stand der Technik keine Ankoppelung der Molekularelektronik an die herkömmliche Mikroelektronik bekannt ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer ein Signal am Ausgang eines molekularelektronischen Moleküls ausgelesen werden kann bzw. an einen herkömmlichen Schaltkreis ankoppelbar ist.

Das Problem wird durch eine Schaltkreisanordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.

Eine Schaltkreisanordnung weist auf: einem Schaltkreis mit mindestens einem molekularelektronischen Molekül mit einem Ausgang, und einen Einzel-Elektronen-Transistor mit einem Eingang, wobei der Ausgang eines der molekularelektronischen Moleküle mit dem Eingang des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt ist.

Die grundlegende Idee der Erfindung beruht anschaulich darauf, eine Ankopplung zwischen einem molekularelektronischen Schaltkreis und einem herkömmlichen Schaltkreis dadurch zu realisieren, dass die an einem Ausgang eines molekularelektronischen Moleküls anfallenden geringen Ladungsmengen, die üblicherweise unter der Nachweisgrenze einer herkömmlichen Elektronik liegen, durch einen Einzel- Elektronen-Transistor, der als hochempfindlicher Elektrometerverstärker dient, ausgelesen werden. Da wie oben beschrieben mittels eines Einzel-Elektronen-Transistors Ladungsmengen von weniger als einer Elementarladung nachweisbar sind, indem die nachzuweisende Ladungsmenge die Gate-Spannung des Einzel-Elektronen-Transistors verändert und dadurch der Tunnelstrom mit hoher Empfindlichkeit beeinflusst wird (vgl. Fig. 2B), sind selbst die kleinen an dem Ausgang eines molekularelektronischen Moleküls anfallenden Ladungsmengen nachweisbar. Demzufolge sind der Tunnelstrom des Einzel-Elektronen-Transistors, der etwa durch ein Amperemeter messbar ist, und die Signalamplitude des molekularelektronischen Moleküls korreliert. Durch die hohe Sensitivität des Einzel-Elektronen-Transistors und die empfindliche Abhängigkeit des Tunnelstroms von der Gate- Spannung wird das schwache Ausgabesignal des molekularelektronischen Moleküls auf eine Amplitude verstärkt, die auch an eine herkömmliche Mikroelektronik ankoppelbar ist.

Mit der Schaltkreisanordnung der Erfindung ist eine Vorrichtung geschaffen, mittels der das Auslesen bzw. Auskoppeln eines Ausgabesignals eines molekularelektronischen Moleküls ermöglicht ist.

Damit ist die Ankopplung der Molekularelektronik an die herkömmliche Mikroelektronik durch die Erfindung ermöglicht: Das Signal am Ausgang eines molekularelektronischen Schaltkreises wird mittels eines Einzel-Elektronen- Transistors ausgelesen und verstärkt, und dieses verstärkte Signal kann dann an einen herkömmlichen Schaltkreis angekoppelt werden. Die Erfindung schafft somit die Möglichkeit, den geringen Platzbedarf eines molekularelektronischen Schaltkreises mit der hohen Nachweisempfindlichkeit eines Einzel-Elektronen-Transistors zu kombinieren, die erforderlich ist, um Ladungsmengen molekularelektronischer Signale nachzuweisen.

Damit ist erstmals eine Vorrichtung geschaffen, welche die Molekularelektronik an die herkömmliche Elektronik ankoppelt.

Die Ankopplung erfolgt wie im Weiteren detailliert beschrieben wird. Bei der Schaltkreisanordnung der Erfindung weist der Einzel-Elektronen-Transistor auf: eine erste und eine zweite elektrisch isolierende Tunnelschicht, eine elektrisch leitende Schicht zwischen den beiden Tunnelschichten, und eine mit der elektrisch leitenden Schicht gekoppelte Gate-Elektrode, wobei der Eingang des Einzel-Elektronen-Transistors mit der Gate-Elektrode des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt ist. Da ferner der Ausgang des molekularelektronischen Moleküls wie oben beschrieben mit dem Eingang des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt ist, besteht eine leitende Verbindung zwischen dem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls und der Gate- Elektrode des SET. Der Einzel-Elektronen-Transistor weist ferner eine Spannungsversorgung auf, mittels der zwischen die beiden Tunnelschichten eine Vorspannung anlegbar ist.

Erfindungsgemäß wird der Ausgang eines in einem beliebigen molekularelektronischen Schaltkreis angeordneten molekularelektronischen Moleküls, an dem ein von einer geringen Ladungsmenge getragenes Signal anliegt, mit dem Eingang eines Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt. Der Eingang des Einzel-Elektronen-Transistors ist mit der Gate- Elektrode des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt, so dass die geringe Ladungsmenge, die das Signal am Ausgang des molekularelektronischen Moleküls ausbildet, auf die Gate- Elektrode aufgebracht wird. Dadurch wird die Gate-Spannung verändert, mittels der das Potential der elektrisch leitenden Schicht des Einzel-Elektronen-Transistors einstellbar ist. Durch das Signal, das vom Ausgang des molekularelektronischen Schaltkreises an die elektrisch leitende Schicht des Einzel- Elektronen-Transistors angekoppelt ist, wird folglich bei konstanter Vorspannung der Tunnelstrom derart verändert, wie das in der Strom-Gate-Spannungs-Charakteristik von Fig. 2B gezeigt ist. Der Tunnelstrom des Einzel-Elektronen- Transistors ist also ein Maß für das Ausgabesignal des molekularelektronischen Moleküls. Damit ist mit dem Tunnelstrom eine Größe messbar, beispielsweise mittels eines in die elektrischen Zuleitungen eingebrachten Amperemeters, die dem auszulesenden molekularelektronischen Signal proportional ist. Dadurch ist die Aufgabe der Erfindung gelöst und das Auslesen molekularelektronischer Ausgabesignale erstmals realisiert.

Ferner kann die Schaltkreisanordnung der Erfindung einen weiteren Schaltkreis mit einem Eingang aufweisen, der mit einem Ausgang des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt ist, wobei an dem Ausgang des Einzel-Elektronen-Transistors das Signal des durch die Tunnelschichten fließenden Stroms anliegt.

Der weitere Schaltkreis kann beispielsweise ein herkömmlicher mikroelektronischer Schaltkreis sein. Auch kann der weitere Schaltkreis ein integrierter Schaltkreis sein. Der weitere Schaltkreis kann in CMOS-Technik hergestellt sein. Der Eingang des weiteren Schaltkreises ist mit dem Ausgang des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt. An dem Ausgang des Einzel-Elektronen-Transistors liegt ein Ausgabesignal, beispielsweise das Tunnel-Stromsignal an, das durch das Ausgabesignal des molekularelektronischen Moleküls determiniert ist. Indem der Ausgang des Einzel-Elektronen- Transistors mit dem Eingang des weiteren Schaltkreises gekoppelt ist, ist ein dem Ausgabesignal des molekularelektronischen Moleküls proportionales Signal in den weiteren Schaltkreis einkoppelbar. Auf diese Weise ist die Ankopplung eines molekularelektronischen Schaltkreises an einen beliebigen anderen Schaltkreis realisiert. Damit ist der Vorteil verbunden, dass das molekularelektronische Signal, das mittels des Einzel-Elektronen-Transistors verstärkt ist, in einer herkömmlichen, ausgereiften Mikroelektronik mit ihren vielfältigen Möglichkeiten und Bauelementen weiterverarbeitbar ist. Die Erfindung schafft somit eine Brücke zwischen der Molekularelektronik und der konventionellen Mikroelektronik.

Das mindestens eine molekularelektronische Molekül des molekularelektronischen Schaltkreises kann mindestens eine der Funktionen eines elektrischen Leiters, eines elektrischen hochohmigen Bauelements, eines ohmschen Widerstandes, einer Diode, eines hochohmigen elektronischen Bauelements, eines Inverters, eines UND-Gatters, eines ODER-Gatters oder eines XODER-Gatters, aufweisen. Ferner kann das mindestens eine molekularelektronische Molekül oder der gesamte molekularelektronische Schaltkreis die Funktion jeder beliebigen Kombination der genannten oder anderer elektronischer Bauelemente aufweisen. Insbesondere kann das mindestens eine molekularelektronische Molekül des molekularelektronischen Schaltkreises oder der gesamte molekularelektronische Schaltkreis die Funktion mindestens eines Transistors oder mindestens eines transistorähnlichen Bauelementes wahrnehmen, beispielsweise um verstärkende Schaltungskreise auszubilden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht folglich darin, dass die Ankopplung zwischen dem molekularelektronischen Schaltkreis und dem Einzel-Elektronen-Transistor unabhängig von der Art des molekularelektronischen Bausteins ist. Mit anderen Worten hängt die durch die Erfindung bereitgestellte Ankopplung der Molekularelektronik an konventionelle Elektronik nicht davon ab, wie der molekularelektronische Schaltkreis ausgebildet ist bzw. welche Funktionen dieser erfüllt. Die Schaltkreisanordnung ist hinsichtlich der Ausführungsform bzw. der konkreten Ausgestaltung des molekularelektronischen Schaltkreises sehr flexibel und ist dahingehend nicht einschränkend.

Das mindestens eine molekularelektronische Molekül weist mindestens einen Eingang und mindestens einen Ausgang auf, von denen der Eingang und/oder der Ausgang mit einem elektronischen Bauelement derart gekoppelt ist, dass ein Atom an dem Eingang und/oder dem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls mit einem Anschluss aus einem elektrisch leitfähigen Material gebunden ist. So weist beispielsweise ein als elektrischer Leiter fungierendes molekularelektronisches Molekül einen Eingang auf, an den ein elektrisches Eingabesignal anlegbar ist und weist ferner einen Ausgang auf, an dem ein elektrisches Ausgabesignal abgreifbar ist. Ferner weist beispielsweise ein molekularelektronisches XODER-Gatter auf zwei Signaleingänge, an die Eingangssignale anlegbar sind, einen Eingang für eine Spannungsversorgung und einen Ausgang, an dem ein Ausgabesignal abgreifbar ist. Diese Beispiele belegen die Notwendigkeit, die Eingänge bzw. die Ausgänge des molekularelektronischen Moleküls an andere elektronische Bauelemente anzukoppeln. So ist es etwa für die Ankopplung eines molekularelektronischen XODER-Gatters an eine Spannungsquelle erforderlich, einen elektrisch leitenden Anschluss zur Kontaktierung einer solchen Spannungsquelle bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Kontaktierung zwischen mindestens einem Eingang bzw. mindestens einem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls einerseits und mindestens einem damit zu koppelnden anderen elektrischen Bauelement andererseits dadurch erreicht, dass ein Atom bzw. eine Atomgruppe an dem Eingang und/oder dem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls mit einem Anschluss aus einem elektrisch leitfähigen Material gebunden wird. Dabei kann die Bindung beispielsweise eine chemische Bindung, wie eine ionische oder eine kovalente Bindung sein oder auch eine Adsorption.

Das Atom an dem Eingang bzw. an dem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls kann insbesondere ein Schwefelatom sein, möglich ist aber auch jedes andere Atom mit geeigneten Eigenschaften. Das elektrisch leitfähige Material kann ein Metall sein, insbesondere kann es ein Edelmetall sein, möglich ist aber auch jedes andere Material mit geeigneten Eigenschaften. Das elektrisch leitfähige Material kann insbesondere Gold sein. Besonders vorteilhaft ist für die angestrebte Wirkung einer stabilen, elektrisch leitfähigen Bindung des molekularelektronischen Moleküls die Kombination von Gold als elektrisch leitfähiges Material mit Schwefel als Atom an dem Eingang bzw. an dem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls. Insbesondere kann der Schwefel von einer Thiol-Gruppe des molekularelektronischen Moleküls stammen. Thiol-Gruppen sind gut an die Eingänge bzw. Ausgänge vieler molekularelektronischer Bauelemente ankoppelbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Schaltkreises eines Einzel-Elektronen-Transistors gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2A ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit des Tunnelstroms von der Vorspannung eines Einzel- Elektronen-Transistors zeigt,

Fig. 2B ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit des Tunnelstroms von der Gate-Spannung eines Einzel- Elektronen-Transistors zeigt,

Fig. 3 eine Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 einen Einzel-Elektronen-Transistor in einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine Schaltkreisanordnung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Ansicht der Kopplung eines molekularelektronischen Moleküls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7A einen molekularelektronischen elektrischen Leiter aus einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7B ein molekularelektronisches elektrisches hochohmiges Bauelement aus einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7C eine molekularelektronische Gleichrichterdiode aus einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7D eine molekularelektronische Resonanztunneldiode aus einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7E eine andere molekularelektronische Gleichrichterdiode aus einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8A eine Logiktabelle für ein XODER-Gatter,

Fig. 8B einen Ersatzschaltkreis für ein XODER-Gatter,

Fig. 8C ein molekularelektronisches XODER-Gatter aus einer Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 eine Schaltkreisanordnung mit einem molekularelektronischen XODER-Gatter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Schaltkreisanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Schaltkreisanordnung 300 weist auf:

- einen Schaltkreis 301 mit mindestens einem molekularelektronischen Molekül 302 mit einem Ausgang 303;
- einen Einzel-Elektronen-Transistor (SET) 304 mit einem Eingang 305, wobei der Ausgang 303 eines der molekularelektronischen Moleküle 302 mit dem Eingang 305 des Einzel-Elektronen-Transistors 304 gekoppelt ist.

Wie in Fig. 3 schematisch gezeigt, weist der Schaltkreis 301 mindestens ein molekularelektronisches Molekül 302 auf, wobei die einzelnen molekularelektronischen Moleküle 302 innerhalb des Schaltkreises 301 beliebig miteinander gekoppelt sein können. Mindestens eines der molekularelektronischen Moleküle 302 weist einen Ausgang 303 auf, an dem ein Ausgabesignal des Schaltkreises 301 anliegen kann. Die mit der Erfindung angestrebte Auskopplung des Ausgabesignals des molekularelektronischen Schaltkreises 301 ist realisiert, indem der Ausgang 303 mit dem Eingang 305 des Einzel- Elektronen-Transistor (SET) 304 gekoppelt ist.

Die detaillierte Struktur des Einzel-Elektronen-Transistors 304 ist in Fig. 4 gezeigt.

Der Einzel-Elektronen-Transistor 304 der erfindungsgemäßen Schaltkreisanordnung 300 weist auf:

- eine erste elektrisch isolierende Tunnelschicht 400 und eine zweite elektrisch isolierende Tunnelschicht 401;
- eine elektrisch leitende Schicht 402 zwischen den beiden Tunnelschichten 400, 401; und
- eine mit der elektrisch leitenden Schicht 402 gekoppelte Gate-Elektrode 403.

Ferner ist gemäß der Erfindung der Eingang 305 des Einzel- Elektronen-Transistors 304 mit der Gate-Elektrode 403 des Einzel-Elektronen-Transistors 304 gekoppelt. Der Einzel- Elektronen-Transistor 304 kann ferner eine Spannungsversorgungsquelle 405 aufweisen, mittels derer zwischen den Tunnelschichten 400, 401 eine Vorspannung U_B anlegbar ist, um die Coulomb-Schwelle des Einzel-Elektronen- Transistors zu überwinden und einen Tunnelstrom messen zu können.

Die Funktionsweise der Schaltkreisanordnung der Erfindung wird im Weiteren unter Bezugnahme auf Fig. 3, Fig. 4 genauer beschrieben.

Infolge der Kopplung des Ausgangs 303 des molekularelektronischen Schaltkreises 301 mit dem Eingang 305 des Einzel-Elektronen-Transistors 304 liegt das Ausgabesignal des molekularelektronischen Schaltkreises 301 an der Gate- Elektrode 403 des Einzel-Elektronen-Transistors 304 an. Da die Gate-Elektrode 403 mit der elektrisch leitenden Schicht 402 gekoppelt ist, wird durch das Ausgabesignal des molekularelektronischen Schaltkreises 301 eine Gate-Spannung an der elektrisch leitenden Schicht 402 ausgebildet bzw. eine unter Umständen bereits anliegende Gate-Spannung durch das Ausgabesignal des molekularelektronischen Schaltkreises 301 charakteristisch verändert.

Gemäß der Tunnelstrom-Gate-Spannungs-Charakteristik eines Einzel-Elektronen-Transistors 304, die in Fig. 2B dargestellt ist, ist bei einer festen Vorspannung U_B 405 der durch die Tunnelschichten 400, 401 fließende Tunnelstrom sehr sensitiv von der Gate-Spannung abhängig.

In den elektrisch leitenden Verbindungen 404 des Einzel- Elektronen-Transistors 304 kann ferner ein Mittel zum Messen des Tunnelstromes, beispielsweise ein Amperemeter 406, angeordnet sein. Mittels der beschriebenen Anordnung ist es daher möglich, die geringen Ladungsmengen, die ein Ausgabesignal eines molekularelektronischen Bauelements gewöhnlich aufweist, mittels des Einzel-Elektronen- Transistors 304 so zu verstärken, dass das Signal in Form des Tunnelstromes messbar wird.

Damit ist das Auslesen von Molekularelektronik durch die Erfindung ermöglicht.

In Fig. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Schaltkreisanordnung 500 der Erfindung gezeigt. Diese weist zusätzlich zu dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Schaltkreisanordnung 300 einen weiteren Schaltkreis 501 mit einem Eingang 502 auf, der mit einem Ausgang 503 des Einzel-Elektronen-Transistors 304 gekoppelt ist, wobei an dem Ausgang 503 das Signal des durch die Tunnelschichten fließenden Tunnelstroms anliegt.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Schaltkreisanordnung 500 der Erfindung ist eine Weiterbildung der Erfindung derart realisiert, dass auch die Ankopplung des mittels des Einzel- Elektronen-Transistors 304 verstärkten Signals des molekularelektronischen Schaltkreises 301 an den weiteren Schaltkreis 501 ermöglicht ist. Damit ist eine Kopplung der Molekularelektronik mit der konventionellen Mikroelektronik hergestellt.

Da das Ausgabesignal des Einzel-Elektronen-Transistors 304 ausreichend stark ist, um für herkömmliche Mikroelektronik lesbar zu sein, ist an den weiteren Schaltkreis 501 keinerlei einschränkende Anforderung zu stellen. Der weitere Schaltkreis 501 kann daher beispielsweise ein integrierter Schaltkreis sein, der etwa in CMOS-Technik hergestellt sein kann. Mittels des Schaltkreises 501 kann das Ausgabesignal des Einzel-Elektronen-Transistors 304 beispielsweise weiterverarbeitet werden oder als Steuersignal eingesetzt werden. Das Ausgabesignal kann in dem weiteren Schaltkreis 501 aber auch jede beliebige andere Funktion wahrnehmen.

Durch die Schaltungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ferner jeder beliebige molekularelektronische Schaltkreis 301 auslesbar bzw. an einen herkömmlichen weiteren Schaltkreis 501 ankoppelbar. Anders ausgedrückt sind an die strukturelle Anordnung bzw. an die Art der Einzelkomponenten 302 des molekularelektronischen Schaltkreises 301 keine einschränkenden Bedingungen gestellt.

Folglich kann jedes der molekularelektronischen Moleküle 302 beispielsweise mindestens eine der Funktionen

- eines elektrischen Leiters,
- eines elektrischen hochohmigen Bauelements,
- eines ohmschen Widerstandes,
- einer Diode,
- eines Inverters,
- eines UND-Gatters,
- eines ODER-Gatters, oder
- eines XODER-Gatters,

aufweisen.

Insbesondere können die molekularelektronischen Moleküle 302 auch die Funktion von Transistoren wahrnehmen bzw. als transistorähnliche Komponenten eingesetzt werden.

Bezugnehmend auf Fig. 6 wird im Weiteren beschrieben, wie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Ankopplung des molekularelektronischen Moleküls 302 an ein anderes Bauelement, wie beispielsweise den Einzel-Elektronen- Transistor 304, eine Spannungsquelle oder das Ausgangssignal eines anderen elektronischen Bauelementes, realisiert ist.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das mindestens eine molekularelektronische Molekül 302 mindestens einen Eingang 600 und mindestens einen Ausgang 601 auf, die jeweils mit einem elektronischen Bauelement (nicht gezeigt in der Figur) derart gekoppelt sind, dass ein Atom 602 an dem Eingang 600 und/oder dem Ausgang 601 des molekularelektronischen Moleküls 302 mit einem Anschluss 603 aus einem elektrisch leitfähigen Material gebunden ist.

Die Art der Bindung kann beispielsweise kovalente und/oder ionische Anteile aufweisen, es kann sich um van-der-Waals- Wechselwirkungen handeln bzw. um eine Adsorption des Atoms auf der Oberfläche des Anschlusses 603. Ferner kann alternativ zu einem Atom 602 die Bindung auch durch eine Atomgruppe realisiert sein. Insbesondere kann das elektrisch leitende Material, aus dem der Anschluss 603 hergestellt ist, ein Metall, insbesondere ein Edelmetall sein.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Anschluss 603 aus Gold hergestellt. Ferner kann das Atom jedes chemische Element sein. Vorzugsweise ist das Atom ein Schwefelatom. Dieses weist nicht nur besonders günstige Bindungseigenschaften auf, sondern kann an einem Endabschnitt eines Moleküls beispielsweise in Form einer Thiol-Gruppe(-SH) angehängt sein.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zur Realisierung der Kopplung zwischen den Eingängen 600 bzw. den Ausgängen 601 des Moleküls 302 für das Atom 602 ein Schwefelatom und für den Anschluss 608 Gold-Material verwendet.

Im Weiteren werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, bei denen jeweils eines oder eine Kombination von an sich in seiner Struktur aus [1] bekannten molekularelektronischen Molekülen als molekularelektronischer Schaltkreis 301 vorgesehen ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der molekularelektronische Schaltkreis 301 mindestens ein molekularelektronisches Molekül 302 auf, das die Funktion eines elektrischen Leiters aufweist.

Fig. 7A zeigt zwei Ausführungsbeispiele für Moleküle, die aufgrund ihrer π-Orbitale elektrische Leitfähigkeit aufweisen und daher die Bauelementfunktion eines elektrischen Leiters gewährleisten.

Bei diesen Molekülen handelt es sich einerseits um direkt miteinander verkettete Phenylengruppen 702 (d. h. Benzolringe, von denen zwei Wasserstoffe abgespalten sind), die als Polyphenylen 700 bezeichnet werden (Fig. 7A, obere Reihe) und andererseits um Phenylengruppen 702, die über Alkenyle bzw. Alkinyle durchgehend mit konjugierten Doppelbindungen gekoppelt sind (Fig. 7A, untere Reihe: Ethinyl-Gruppen 703 zwischen Phyenylen-Gruppen 702). Solche Moleküle kann man als Moleküle auf Polyphenylen-Basis 701 bezeichnen. Orbitale der aromatischen Ringe beziehungsweise der konjugierten Doppel- oder Dreifachbindungen überlappen in der Ebene der Benzolringe miteinander und bilden so eine durchgehende leitende Ladungswolke aus. Derarte Molekülgruppen sind als elektrische Leiter einsetzbar.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der molekularelektronische Schaltkreis 301 mindestens ein molekularelektronisches Molekül 302 auf, das die Funktion eines elektrischen hochohmigen Bauelements aufweist.

Kohlenstoffketten, bei denen benachbarte Kohlenstoffe ausschließlich durch σ-Bindungen gebunden sind, weisen die Wirkung eines elektrischen hochohmigen Bauelements auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch σ-Bindungen keine ununterbrochene Ladungswolke entlang der Kohlenstoffkette ausgebildet ist. Fig. 7B zeigt ein Alkan 704 als Beispiel für ein als hochohmiges elektronisches Bauelement wirkendes molekularelektronisches Bauelement, bei dem eine Mehrzahl von Methylen-Gruppen 705 aneinandergereiht sind. Eine Alkankette mit wenigen Kohlenstoffen kann unter Umständen als hochohmiger Widerstand einsetzbar sein.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der molekularelektronische Schaltkreis 301 mindestens ein molekularelektronisches Molekül 302 auf, das die Funktion einer Diode aufweist.

Fig. 7C, Fig. 7D, Fig. 7E zeigen organische Molekülgruppen, welche jeweils die Funktion einer Diode wahrnehmen können. Diese Ausführungsformen werden im Weiteren beschrieben.

In der in Fig. 7C gezeigten Struktur einer molekularen Gleichrichterdiode 706 ist infolge der positiven bzw. negativen Ladungen verschiedener Bereiche der Molekülgruppe ein Stromfluss in einer Richtung gegenüber dem Stromfluss in einer dazu entgegengesetzten Richtung bevorzugt, was der Durchlassrichtung bzw. der Sperrrichtung einer herkömmlichen Diode entspricht. Auch sind die positiv bzw. negativ geladenen Abschnitte in Analogie zu den p-dotierten bzw. n- dotierten Bereichen einer Halbleiterdiode zu sehen.

Die molekulare Gleichrichterdiode 706 aus Fig. 7C weist auf: eine Alkyl-Gruppe 707; eine Mehrzahl von Phenylen-Gruppen 702, eine Mehrzahl von Nitril-Gruppen 708; eine Ethenyl- Gruppe 709; eine Stickstoff-Brücke 710; eine positive elektrische Ladung 711 und eine negative elektrische Ladung 712, wobei die positive elektrische Ladung 711 und die negative elektrische Ladung 712 mittels mehrerer Molekülgruppen voneinander räumlich getrennt sind.

Die einzelnen Molekülgruppen sind bezugnehmend auf Fig. 7C folgendermaßen gekoppelt: Die Alkyl-Gruppe 707 ist mit dem Stickstoff 710 gekoppelt, der wiederum mit einer der Phenylen-Gruppen 702 gekoppelt ist. An dieser Phenylen-Gruppe 702 ist die positive elektrische Ladung 711 befindlich. Die Phenylen-Gruppe 702 ist einerseits mit einer anderen der Phenylen-Gruppen 702 gekoppelt und andererseits mit einer Ethenyl-Gruppe 709 gekoppelt. Die Ethenyl-Gruppe 709 ist mit einer weiteren Nitril-Gruppe 708 und mit einer weiteren der Phenylen-Gruppen 702 gekoppelt. Die Phenylen-Gruppe 702 ist mit den anderen beiden Nitril-Gruppen 708 gekoppelt, an denen ferner die negative elektrische Ladung 712 befindlich ist. Die Ladungstrennung in Fig. 7C entspricht der entgegengesetzten Dotierung an einem pn-Übergang.

Fig. 7D zeigt die Struktur einer molekularelektronischen Resonanztunneldiode 713. Eine molekularelektronische Resonanztunneldiode 713 weist zwei sehr dünne isolierende Tunnelschichten zwischen einem leitfähigen Bereich auf, wobei die Tunnelschichten über elektrisch leitende Kontakte etwa mit einer Spannungsquelle koppelbar sind. Eine molekulare Resonanztunneldiode ist realisiert, indem für die elektrisch leitenden Bereiche Strukturbausteine, wie in Fig. 7A gezeigt, verwendet werden und indem für die elektrisch isolierenden Tunnelschichten sehr kurze, elektrisch isolierende Strukturbausteine, wie in Fig. 7B gezeigt, verwendet werden.

Die in Fig. 7D gezeigte molekulare Resonanztunneldiode weist auf: zwei Thiol-Gruppen 714, die zur Kopplung der molekularen Resonanztunneldiode 713 mit einem externen Anschluss dienen; zwei Moleküle auf Polyphenylen-Basis 701 dienend als elektrisch leitende Bereiche; zwei Methylen-Gruppen 705, dienend als Tunnelschichten; eine Phenylen-Gruppe 702 dienend als elektrisch leitender Bereich; und zwei Ethanyl-Gruppen 715. Aus diesen Elementen sind zwei gleichartige Molekülgruppen-Ketten 716 aufgebaut, wobei beide der Molekülgruppen-Ketten 716 folgendermaßen angeordnet sind: eine der Thiol-Gruppen 714 ist mit einem der Moleküle auf Polyphenylen-Basis 701 gekoppelt, das ferner mit einer der Methylen-Gruppen 705 gekoppelt ist. Die Methylen-Gruppe 705 ist ferner mit einer der Ethanyl-Gruppen 715 gekoppelt. An die beiden Bindungsstellen der Phenylen-Gruppe 702 wird nun beidseitig jeweils eine der gleichartig aufgebauten Molekülgruppen-Ketten 716 angehängt.

In Fig. 7E ist die Struktur einer molekularelektronischen Gleichrichterdiode 719 gezeigt, die gut für den Einsatz als Bauelement in molekularelektronischen Logik-Schaltungen geeignet ist, und die als Dimethoxy-Dicyano auf Polyphenylen basierende Diode 719 bezeichnet wird.

Die in Fig. 7E gezeigte molekularelektronische Gleichrichterdiode 719 weist auf: eine erste Phenylen-Gruppe 702 mit zwei daran gebundenen H₃CO-Gruppen 717, die als Elektronendonatoren dienen; eine zweite Phenylen-Gruppe 702 mit zwei daran gebundenen CN-Gruppen 718, die als Elektronenakzeptoren dienen; und eine Ethanyl-Gruppe 720. Die erste Phenylen-Gruppe 702 ist mit der Ethanyl-Gruppe 720 gekoppelt und diese ist ferner mit der zweiten Phenylen- Gruppe 702 gekoppelt.

Die Funktionsweise der Diode ist in [1] beschrieben und kann in Analogie zu einer Halbleiterdiode verstanden werden. Dabei entspricht die erste Phenylen-Gruppe 702 mit den beiden daran gebundenen Elektronendonatoren H₃CO 717 einem n-dotierten Halbleitermaterial, wobei die "intramolekulare" n-Dotierung, das heißt die Fähigkeit, elektronische Ladung bereitzustellen, auf den elektronischen Eigenschaften der H₃CO-Seitenketten beruht. Die zweite Phenylen-Gruppe 702 mit den beiden daran gebundenen Elektronenakzeptoren CN 718 entspricht dagegen einem p-dotierten Halbleitermaterial, wobei die "intramolekulare" p-Dotierung, das heißt die Fähigkeit, elektronische Ladung aufzunehmen, auf den elektronischen Eigenschaften der CN-Seitenketten beruht. Zwischen den intramolekular p- bzw. n-dotierten Bereichen der molekularelektronischen Halbleiterdiode 719 ist die Ethanyl-Gruppe 720 angeordnet, die gemäß dem unter Bezugnahme auf Fig. 7B Erläuterten als dünne isolierende Schicht bzw. als hochohmiger Bereich angesehen werden kann. Dieser Bereich entspricht in der Analogie zur Halbleiterdiode der pn-Schicht, die durch Ladungsträgerverarmung gekennzeichnet ist.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der molekularelektronische Schaltkreis 301 mindestens ein molekularelektronisches Molekül 302 auf, das die Funktion eines Logikgatters aufweist.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, gemäß dem der molekularelektronische Schaltkreis 301 ein molekularelektronisches Molekül 302 aufweist, das die Funktion eines XODER-Gatters (vgl. Fig. 8) aufweist. Dieses wird im Weiteren erläutert.

Aus den oben beschriebenen molekularelektronischen Bauelementen, nämlich elektrischen Leitern 700, 701, elektrischen hochohmigen Bauelementen 704, Gleichrichterdioden 706 bzw. 719 und Resonanztunneldioden 713 lassen sich nun komplexe molekulare Bauelemente, wie beispielsweise Logik-Gatter aufbauen. Exemplarisch ist in Fig. 8A, Fig. 8B und Fig. 8C gezeigt, wie aus den fundamentalen Bauelementen ein molekularelektronisches XODER-Gatter 801 ausgebildet werden kann.

Fig. 8A zeigt die Logiktabelle 800 für ein XODER-Gatter. Ein solches weist auf einen ersten Eingang A und einen zweiten Eingang B, an denen jeweils entweder ein Eingabesignal mit einem logischen Wert "0" oder ein Eingabesignal mit einem logischen Wert "1" anlegbar ist; und einen Ausgang C, an dem entweder ein Ausgabesignal mit einem logischen Wert "0" oder ein Ausgabesignal mit einem logischen Wert "1" anliegt. Wie die Logiktabelle 800 für ein XODER-Gatter in Fig. 8A zeigt, weist das Ausgabesignal bei C genau dann einen logischen Wert "1" auf, wenn entweder das Eingabesignal bei A einen logischen Wert "1" aufweist und simultan das Eingabesignal bei B einen logischen Wert "0" aufweist oder wenn das Eingabesignal bei A einen logischen Wert "0" aufweist und simultan das Eingabesignal bei B einen logischen Wert "1" aufweist. In allen anderen Fällen weist das Ausgabesignal bei C einen logischen Wert "0" auf.

Fig. 8B zeigt das Ersatzschaltbild für eine Ausführungsform eines XODER-Gatters 801. Die Schaltung des Ersatzschaltbildes 801 von Fig. 8B weist auf: einen ersten Eingang A 802 und einen zweiten Eingang B 803; einen Ausgang C 804; eine Versorgungsspannung V_- 805; eine erste und einen zweite Diode 806, 807; einen ersten, einen zweiten und einen dritten ohmschen Widerstand 808, 809, 811, wobei der dritte ohmsche Widerstand 811 hochohmig ist; eine Resonanztunneldiode 810; und elektrisch leitende Zuleitungen 812 zum Koppeln der elektrischen Bauelemente. Dabei ist der erste Eingang A mit der ersten Diode 806 gekoppelt, und die erste Diode 806 ist ferner mit dem ersten ohmschen Widerstand 808 gekoppelt. Die durch den Eingang A 802 und den Widerstand 808 definierte Stromrichtung entspricht dabei der Durchlassrichtung der Diode 806. Der zweite Eingang B 803 ist mit der zweiten Diode 807 gekoppelt und die zweite Diode 807 ist ferner mit dem zweiten ohmschen Widerstand 809 gekoppelt. Die durch den Eingang B 803 und den Widerstand 809 definierte Stromrichtung entspricht dabei der Durchlassrichtung der Diode 807. Der erste und der zweite ohmsche Widerstand 808, 809 sind mit einem elektrischen Kreuzungspunkt gekoppelt, der ferner mit der Resonanztunneldiode 810 gekoppelt ist. Die Resonanztunneldiode 810 ist ferner mit einem weiteren elektrischen Kreuzungspunkt gekoppelt, der ferner mit dem Ausgang C 804 und mit dem hochohmigen dritten ohmschen Widerstand 811 gekoppelt ist. Der dritte ohmschen Widerstand 811 ist ferner mit der Spannungsversorgung V_- 805 gekoppelt.

Fig. 8C zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein molekularelektronisches XODER-Gatter 813, das eine praktische Umsetzung des Ersatzschaltbildes 801 in einen molekularelektronischen Schaltkreis dargestellt, wobei das molekularelektronische XODER-Gatter 813 ausschließlich aus molekularelektronischen Bauelementen zusammengesetzt ist, die oben (vgl. Fig. 7) beschrieben wurden: die elektrische Ankopplung des Moleküls 813 mit den Eingängen A und B 802, 803 erfolgt mittels Thiol-Gruppen 714; die elektrisch leitenden Zuleitungen 812 sind durch Moleküle auf Polyphenylen-Basis 701 verwirklicht; für die Dioden 806, 807 sind Dimethoxy-Dicyano auf Polyphenylen basierende Dioden 719 vorgesehen; der hochohmige Widerstand 811 ist durch ein kurzkettiges Alkanyl 704 realisiert.

Während ein langkettiges Alkanyl 704 wie oben beschrieben als hochohmiges elektrisches Bauelement wirkt, ist bei einem kurzkettigen Alkanyl noch Restleitfähigkeit vorhanden, so dass es einen hohen ohmschen Widerstand darstellt. Ferner ist als Resonanztunneldiode 810 eine molekularelektronische Resonanztunneldiode 713 vorgesehen, wobei abweichend von der in Fig. 7D gezeigten Struktur in Fig. 8C die elektrisch leitenden Zuleitungen 701 kürzer ausgeführt sind und die Thiol-Gruppen 714 ausgespart sind. Die ohmschen Widerstände 808, 809 sind implizit durch die ohmschen Verluste in den nicht ideal leitenden Molekülen auf Polyphenylen-Basis 701 realisiert.

Fig. 9 zeigt eine Schaltkreisanordnung 900 für ein molekularelektronisches XODER-Gatter. Die Schaltkreisanordnung 900 weist auf: ein molekularelektronisches XODER-Gatter 901 mit einem ersten Eingang A 902, einem zweiten Eingang B 903, einem Ausgang C 904 und einer Versorgungsspannung V_- 905; vier Schwefelatome 602 von Thiol-Gruppen an Endabschnitten des molekularelektronischen Moleküls 901, von denen jeweils eines mit den Eingängen A 902, B 903, dem Ausgang C 904 und der Versorgungsspannung 905 über jeweils einen von vier Anschlüssen 603 aus Gold-Material gekoppelt ist; einen Einzel-Elektronen-Transistor 304, dessen Gate-Elektrode 403 mit der elektrisch leitenden Schicht 402 gekoppelt ist, wobei die Gate-Elektrode 403 mit demjenigen der vier Anschlüsse 603 einstückig ausgebildet ist, an dem das Ausgabesignal C 904 anliegt. In dem in Fig. 9 gezeigten Einzel-Elektronen- Transistor 304 sind ferner eine Source-Elektrode 906 zur elektrischen Kontaktierung der ersten Tunnelschicht 400 und eine Drain-Elektrode 907 zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Tunnelschicht 401 eingezeichnet.

Das in Fig. 9 gezeigte molekularelektronische XODER-Gatter 901 ist an sich aus [1] bekannt, und seine Struktur und Wirkungsweise sind oben bezugnehmend auf Fig. 8 ausführlich beschrieben.

Anstelle der in Fig. 9 gezeigten Ausgestaltung des molekularelektronischen XODER-Gatters kann auch eine beliebige andere Ausgestaltung treten, die in den in Fig. 9 gestrichelt gezeichneten Kasten einfügbar ist.

Die Funktionsweise der Schaltkreisanordnung 900 beruht anschaulich darauf, dass an die Eingänge A 902 und B 903 jeweils ein Eingabesignal anlegbar ist, von denen jedes den logischen Wert "0" oder den logischen Wert "1" aufweisen kann.

Dieses Eingabesignal ist an die Eingänge A 902 bzw. B 903 anlegbar, indem an die Gold-Anschlüsse 603 beispielsweise ein Ausgabesignal einer vorgeschalteten, in der Zeichnung nicht gezeigten Vorrichtung, wie einem elektronischen Bauelement, einer Spannungsquelle, etc., gekoppelt werden. Da die Gold-Anschlüsse 603 prinzipiell beliebig groß ausgebildet sein können, ist auch eine Ankopplung des molekularelektronischen XODER-Gatters 901 an eine herkömmliche Mikroelektronik möglich. Die Gold-Anschlüsse 603 sind ferner mittels der Schwefelatome 602, die von Thiol-Gruppen an den Endabschnitten des molekularelektronischen Moleküls 901 stammen, mit den jeweiligen Endabschnitten gekoppelt.

Analog ist an den Eingang V_- 905 mittels des zugehörigen Gold-Anschlusses 603 eine Versorgungsspannung anlegbar. Durch das molekularelektronische XODER-Gatter 901 werden die Eingangssignale der Anschlüsse A 902 und B 903 entsprechend der XODER-Logik verarbeitet und das aus der XODER-Operation resultierende Ausgabesignal am Ausgang C 904 bereitgestellt. An dem Ausgang C 904 liegt entweder ein Ausgabesignal mit einem logischen Wert "0" oder ein Ausgabesignal mit einem logischen Wert "1" an.

Das Ausgabesignal bei C 904 weist gemäß der XODER-Logik (vgl. Fig. 8A) genau dann einen logischen Wert "1" auf, wenn entweder das Eingabesignal bei A 902 einen logischen Wert "1" aufweist und simultan das Eingabesignal bei B 903 einen logischen Wert "0" aufweist oder wenn das Eingabesignal bei A 902 einen logischen Wert "0" aufweist und simultan das Eingabesignal bei B 903 einen logischen Wert "1" aufweist.

In allen anderen Fällen weist das Ausgabesignal bei C 904 einen logischen Wert "0" auf. Da die Eingabesignale durch das molekularelektronische XODER-Gatter 901 verarbeitet werden, ist die Stärke des Ausgabesignals bei C 904, das heißt die Quantität der bei C 904 abgreifbaren Ladung, sehr gering und üblicherweise unterhalb der Nachweisgrenze herkömmlicher Mikroelektronik. Indem der Gold-Anschluss 603, der mit dem Ausgang C 904 gekoppelt ist, ferner auch mit der Gate-Elektrode 403 gekoppelt ist (bzw. in dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Gate-Elektrode 403 einstückig ausgebildet ist), wird die Ladung des Ausgangssignals auf die elektrisch leitende Schicht 402 des Einzel-Elektronen-Transistors 304 geleitet.

Dadurch wird die Gate-Spannung verändert und gemäß der Tunnelstrom-Gate-Spannungs-Charakteristik eines Einzel- Elektronen-Transistors (vgl. Fig. 2B) selbst bei kleinsten Ladungsmengen eine signifikante Änderung des Tunnelstroms bewirkt.

Das mittels des Amperemeters 406 messbare Signal des Tunnelstroms liefert die logische Information des XODER- Gatters 900. Dieses Signal kann in eine beliebige andere Schaltung eingekoppelt und weiterverarbeitet werden bzw. als Steuersignal für die andere Schaltung dienen (nicht gezeigt in Fig. 9).

Somit ist die Ankopplung des molekularelektronischen Schaltkreises an einen beliebigen anderen Schaltkreis realisiert.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] Ellenbogen, JC, Love, JC (1999) "Architectures for molecular electronic computers: 1. Logic structures and an adder buildt from molecular electronic diodes", MITRE Nanosystems Group, McLean, Virginia
[2] Lafarge, P, Pothier, H, Williams, ER, Esteve, D, Urbina, C, Devoret, MH (1991) "Direct observation of macroscopic charge quantization", Z Phys B 85: 327-332
[3] Hofmann, K, Spangenberg, B (2000) "Der ultimative Transistor - Traum oder Wirklichkeit", Physikalische Blätter 56 (9): 45-50

Bezugszeichenliste

100

Einzel-Elektronen-Transistor

101

erste elektrisch isolierende Tunnelschicht

102

zweite elektrisch isolierende Tunnelschicht

103

elektrisch leitende Schicht

104

elektrisch leitende Zuleitungen

105

mit Gate-Spannung U_G

gekoppelte Gate-Elektrode

106

Vorspannungsversorgung

107

Amperemeter

300

Schaltkreisanordnung

301

Schaltkreis

302

molekularelektronisches Molekül

303

Ausgang eines molekularelektronischen Moleküls

304

Einzel-Elektronen-Transistor

305

Eingang des Einzel-Elektronen-Transistors

400

erste elektrisch isolierende Tunnelschicht

401

zweite elektrisch isolierende Tunnelschicht

402

elektrisch leitende Schicht

403

Gate-Elektrode

404

elektrisch leitende Zuleitungen

405

Vorspannungsversorgungsquelle

406

Amperemeter

500

Schaltkreisanordnung

501

weiterer Schaltkreis

502

Eingang des weiteren Schaltkreises

503

Ausgang des Einzel-Elektronen-Transistors

600

Eingang des molekularelektronischen Moleküls

601

Ausgang des molekularelektronischen Moleküls

602

Atom

603

Anschluss aus einem elektrisch leitenden Material

700

Polyphenylen

701

Molekül auf Polyphenylen-Basis

702

Phenylen

703

Ethinyl

704

Alkan

705

Methylen-Gruppe

706

molekularelektronische Gleichrichterdiode

707

Alkyl-Gruppe

708

Nitril-Gruppen

709

Ethenyl-Gruppe

710

Stickstoff

711

positive elektrische Ladung

712

negative elektrische Ladung

713

molekularelektronische Resonanztunneldiode

714

Thiol-Gruppe

715

Ethanyl

716

Molekülgruppen-Kette

717

Elektronendonator H₃

CO

718

Elektronenakzeptor CN

719

Dimethoxy-Dicyano auf Polyphenylen basierende Diode

720

Ethanyl-Gruppe

800

Logik-Tabelle für XODER-Gatter

801

Ersatzschaltbild für XODER-Gatter

802

erster Eingang A

803

zweiter Eingang B

804

Ausgang C

805

Versorgungsspannung V_-

806

erste Diode

807

zweite Diode

808

erster ohmscher Widerstand

809

zweiter ohmscher Widerstand

810

Resonanztunneldiode

811

dritter ohmscher Widerstand

812

elektrische Zuleitungen

813

molekularelektronisches XODER-Gatter

900

Schaltkreisanordnung mit molekularelektronischem XODER- Gatter

901

molekularelektronisches XODER-Gatter

902

erster Eingang A

903

zweiter Eingang B

904

Ausgang C

905

Versorgungsspannung V_-

906

Source-Elektrode

907

Drain-Elektrode

Claims

1. Schaltkreisanordnung mit
einem Schaltkreis mit mindestens einem molekularelektronischen Molekül mit einem Ausgang,
einem Einzel-Elektronen-Transistor mit einem Eingang,
wobei der Ausgang eines der molekularelektronischen Moleküle mit dem Eingang des Einzel-Elektronen- Transistors gekoppelt ist.

2. Schaltkreisanordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Einzel-Elektronen-Transistor aufweist
eine erste und eine zweite elektrisch isolierende Tunnelschicht,
eine elektrisch leitende Schicht zwischen den beiden Tunnelschichten,
und eine mit der elektrisch leitenden Schicht gekoppelte Gate-Elektrode,
wobei der Eingang des Einzel-Elektronen-Transistors mit der Gate-Elektrode des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt ist.

3. Schaltkreisanordnung nach Anspruch 2, bei welcher der Einzel-Elektronen-Transistor ferner eine Spannungsversorgung aufweist, mittels derer zwischen den Tunnelschichten eine Vorspannung anlegbar ist.

4. Schaltkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen weiteren Schaltkreis mit einem Eingang aufweist, der mit einem Ausgang des Einzel-Elektronen-Transistors gekoppelt ist, an dem das Signal des durch die Tunnelschichten fließenden Stroms anliegt.

5. Schaltkreisanordnung nach Anspruch 4, bei welcher der weitere Schaltkreis ein integrierter Schaltkreis ist.

6. Schaltkreisanordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher der weitere Schaltkreis in CMOS-Technik hergestellt ist.

7. Schaltkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das mindestens eine molekularelektronische Molekül mindestens eine der Funktionen eines elektrischen Leiters, eines elektrischen hochohmigen Bauelements, eines ohmschen Widerstandes, einer Diode, eines Transistors, eines Inverters, eines UND-Gatters, eines ODER-Gatters oder eines XODER-Gatters, aufweist.

8. Schaltkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das mindestens eine molekularelektronische Molekül mindestens einen Eingang und mindestens einen Ausgang aufweist, von denen der Eingang und/oder der Ausgang mit einem elektronischen Bauelement derart gekoppelt ist, dass ein Atom an dem Eingang und/oder dem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls mit einem Anschluss aus einem elektrisch leitfähigen Material gebunden ist.

9. Schaltkreisanordnung nach Anspruch 8, bei der das Atom an einem Eingang und/oder einem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls Schwefel ist und/oder bei der das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.

10. Schaltkreisanordnung nach Anspruch 9, bei welcher der Schwefel an einem Eingang und/oder einem Ausgang des molekularelektronischen Moleküls Schwefel von einer Thiol- Gruppe ist.

11. Schaltkreisanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der das elektrisch leitfähige Material Gold ist.