Erster Transistor auf Basis von Pflanzenviren

Einem Forscherteam ist es gelungen, den weltweit ersten spannungsgesteuerten Transistor auf Basis von Viren zu entwickeln. Sie nutzten dafür das Tabakmosaikvirus, welches ausschließlich Pflanzen befällt, um auf dessen Oberfläche den anorganischen Stoff Zinkoxid anzureichern. Das so entstandene neue Verbundmaterial bildet einen Bestandteil des Transistors.

Transistoren sind elektronische Bauelemente, also Bestandteile einer elektrischen Schaltung, zum Schalten und Verstärken elektrischer Signale. Diese findet man z.B. auf Mikrochips, wie sie in Computern eingesetzt werden. Mikrochips sollen immer leistungsfähiger, aber auch kleiner werden. Daher forschen die Entwickler auf dem Gebiet der Nanotechnologie - mit der Zielsetzung die enthaltenen Bauelemente bis in den Nanometerbereich zu verkleinern. Dafür benötigt man neue Materialien und neue Methode, um diese herzustellen. 

Neue Ansätze sind gefragt

Wissenschaftlern der Universität Stuttgart und der Technischen Universität Darmstadt entwickelten nun den weltweit ersten durch Spannung gesteuerten Transistor - einen sogenannten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistoren (kurz: MOSFETs) - auf der Basis von Viren. Der neuartige Ansatz nutzt erstmals ein Pflanzenvirus, das Tabakmosaikvirus (TMV), um nanoskalige Bestandteile des Transistors zu erzeugen. 

Warum das Pflanzenvirus TMV?

Erstmals wurde das Virus Ende des 19. Jahrhunderts als Krankheitserreger in Tabakkulturen beschrieben. Das röhrenförmige Tabakmosaikvirus befällt nur Pflanzen, darunter Tabak (Nicotiana tabacum), wodurch das Virus auch seinen Namen erhalten hat. Es ist aufgrund seiner definierten Struktur und seiner geringen Größe für die Forscher interessant: Ein einzelnes Virusteilchen hat einen Durchmesser von 18 Nanometern (Millionstel Millimetern) und eine Länge von circa 300 Nanometern.

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Der Aufbau des Transistors

Ein MOSFET besteht aus drei Materialschichten: einem elektrisch leitenden Substrat, einem nicht leitenden Material (Dielektrikum) sowie einem Halbleiter. Beispielweise Zinkoxid (ZnO) ist ein Stoff, der Halbleitereigenschaften besitzt und somit elektrischen Strom sowohl leiten als auch nichtleiten kann. Dem interdisziplinären Team aus Biologen, Chemikern und Materialforschern ist es gelungen, eine Halbleiterschicht aus Zinkoxid  mit Hilfe von TMV-Partikeln zu erzeugen, d.h. Zinkoxid-Kristalle auf dem Tabakmosaikvirus entstehen zu lassen.

Die Synthese von halbleitendem Zinkoxid

Dafür wurden die Viren auf zweilagige Silizium-Plättchen (diese dienen als Substrat und Dielektikum) aufgetragen und anschließend in eine Reaktionslösung getaucht. Durch Erhitzen bildeten sich daraufhin Zinkoxid-Kristalle an der Virusoberfläche, ohne dass weitere künstliche Eingriffe nötig wurden. Das neuartige TMV/Zinkoxid-Verbundmaterial bildete sich bereits bei 60 Grad Celsius; andere anorganische Halbleiter benötigen dafür wesentlich höhere Temperaturen: Sie können mit herkömmlichen Methoden meist erst bei über 200 Grad Celsius hergestellt werden.

Das so entstandene TMV/Zinkoxid-Verbundmaterial wies nun bereits seine elektronische Transistoreigenschaft auf.  Der damit erzeugte „Biotransistor“ ist den Forschern zufolge den meisten Zinkoxid-Transistoren klar überlegen, da das Virus offensichtlich den Elektronentransport unterstützt.

Im Folgenden wollen die Wissenschaftler den „Biotransistor“ weiter verbessern und das Verfahren optimieren. Die Forschungsergebnisse ebnen jedoch auch den Weg für andere neue Materialien oder Methoden auf der Basis von verschiedenen Biomolekülen.