20.09.2019 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Eine stabile Brücke von Molekülen

Auf dem Weg zur molekularen Elektronik

Aus einzelnen Molekülen gebaute Elektronik könnte in der Zukunft neue Möglichkeiten bei der Miniaturisierung von Schaltkreisen eröffnen. Empa-Forschern ist es gemeinsam mit Partnern aus der Schweiz, den Niederlanden, Israel und Grossbritannien gelungen, ein entscheidendes Detail bei der Realisierung solcher Schaltungselemente zu lösen: eine molekulare Brücke für Elektronen, die bei Raumtemperatur sowohl mechanisch als auch elektronisch stabil bleibt.

Molekulare Elektronik, in der Schaltelemente aus Molekülen zusammengesetzt sind, könnte in Zukunft den Bau elektronischer Systeme im Nanobereich mit völlig neuartigen Funktionen ermöglichen. Die Komponenten müssen indes präzise konstruiert und auf atomarer Ebene zusammengesetzt werden.

Forscher des Empa-Labors «Transport at Nanoscale Interfaces» unter der Leitung von Michel Calame arbeiten gemeinsam mit Partnern der Universitäten Basel und Bern, des «Swiss Nanoscience Institute», der «Delft University of Technology» in den Niederlanden, der «Lancaster University» und der «University of Warwick» in Grossbritannien sowie der «Hebrew University» in Jerusalem an der Integration von molekularen Bauelementen mit Graphen-Elektroden.

Eine stabile Brücke

Die grösste Herausforderung dabei ist, einen effizienten elektronischen Transport zwischen den beiden Graphen-Elektroden zu gewährleisten. Die Forscher wählten dafür den Ansatz, eine molekulare Brücke zur Kontrolle des Stroms zu bauen. Die Brücke muss mechanisch und elektronisch robust sein, um Schwankungen zu vermeiden – und das bei Raumtemperatur. Damit das System künftig auch tatsächlich eingesetzt werden kann, müssen die Merkmale des Systems zudem reproduzierbar sein.

Das Problem: Die mechanische und elektronische Stabilität stellen unterschiedliche Anforderungen an die Eigenschaften der Brücke. «Eine schwache Kopplung zwischen den Orbitalen sorgt für eine interessante elektronische Verbindung zwischen den beiden Graphen-Elektroden und macht die Verbindungseigenschaften weniger empfindlich gegenüber lokalen elektronischen Schwankungen der Elektroden. Diese Strategie führt jedoch zu mechanisch instabilen Verbindungen», erklärt Maria El Abbasi, die erste Autorin der Studie. Werden hingegen Moleküle verwendet, die mit den Graphen-Elektroden eine feste chemische Bindung eingehen, wird das System mechanisch stabiler – aber die Transporteigenschaften der Brücke sind aufgrund der fehlenden Kontrolle der Elektrodengeometrie und -kanten schlecht definiert. Dies bedeutet, dass die elektronischen Eigenschaften stark variieren.

Ein dreiteiliges Molekül als Lösung

Den Forschern ist es nun gelungen, reproduzierbare Brückenelemente zu bauen, die beide Eigenschaften vereinen: mechanische und elektronische Stabilität. Die Moleküle bestehen aus drei Komponenten: einer Silangruppe, einer Kopfgruppe und einer trennenden Alkankette. Die Aufgabe der Silangruppe ist es, die Moleküle mechanisch auf dem Siliziumoxid-Substrat zu verankern; sie verbindet sich über eine starke, kovalente Bindung mit dem Substrat. Der Silanisierungsprozess bietet noch einen weiteren Vorteil: Auf dem Siliziumoxid bildet sich eine Schutzschicht.

Der zweite (und wichtigste) Teil des Moleküls ist die Kopfgruppe. Ihre Aufgabe ist es, den Elektronen einen Weg zwischen den beiden Graphen-Elektroden zu bahnen. Dies geschieht in einem quantenmechanischen Prozess: Die sogenannten Pi-Orbitale der benachbarten Moleküle überlappen miteinander und mit denjenigen der beiden Graphen-Elektroden. Dadurch ersteht ein erweitertes Orbital über die Verbindung, welches die Brückenfunktion zwischen den Graphen-Elektroden übernimmt. Der letzte Teil des Moleküls ist die Alkankette. Sie isoliert den Silan-Anker und die Kopfgruppe elektronisch voneinander. Die so gebildeten Moleküle werden zwischen den beiden Graphen-Elektroden gestapelt und bilden so ein steuerbares leitfähiges Element.

Drei Moleküle zur Auswahl

Für die Hauptgruppe untersuchten die Forscher drei verschiedene chemische Verbindungen. Die erste Hauptgruppe (CH3) diente als Kontrolle. Wenn sie eingesetzt wurde, zeigten die Bauelemente zwar ein stabiles und reprozierbares Verhalten, gleichzeitig aber nur eine begrenzte elektronische Verbindung. Eine zweite Gruppe, N-Carbazol, erwies sich als nicht ideal, da zwar eine elektronische Brücke entstand, diese aber nicht genügend Stabilität bot. Der dritte Kandidat war Biphenyl-N-Carbazol. Er führte zu einer deutlich stärkeren Überlappung der Orbitale und dadurch zu stabilen Verbindung mit einem Strom, der um mehrere Grössenordnungen höher war als beim Kontrollmolekül CH3.

Die Forscher konnten auch zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften der Brückenkonstruktion von lediglich 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt bis hin zu Raumtemperaturen stabil sind. «Damit haben wir eine einfache, aber effektive Strategie entwickelt, um in Zukunft molekülbasierte Funktionen in nanoelektronische Systeme zu integrieren», so Calame.

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