Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Eine stabile Brücke von Molekülen

Auf dem Weg zur molekularen Elektronik

20.09.2019

Empa

Schematische Darstellung von Molekülen, die auf einem SiO2/Si-Substrat verankert sind (grau). Dank der kontrollierten Struktur der Moleküle bildet sich eine stabile molekulare Architektur, die als Brücke für die zwischen den Graphen-Elektroden wandernden Elektronen dient. Diese Graphenleitungen werden dann von herkömmlichen metallischen Gold-Pads (Au; gelb) kontaktiert. Die so entstandene Molekularstruktur erinnert an die Architektur eines römischen Bogens.

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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • molekulare Elektronik
  • Moleküle
  • Miniaturisierung
  • Elektronen
  • elektronische Schaltkreise
  • Graphen
Mehr über Empa
  • News

    Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

    Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelun ... mehr

    Erste Feldmessungen von Lachgasisotopen

    Dank eines neu entwickelten Laserspektrometers können Empa-Forscher erstmals aufzeigen, welche Prozesse im Grasland zu Lachgasemissionen führen. Ziel ist es, durch ein besseres Verständnis der in den Böden ablaufenden Prozesse die Emissionen dieses potenten Treibhausgases zu verringern. La ... mehr

    Roboter fühlen "Schmerz" und reparieren sich selbst

    Ein multinationales Projekt zur Entwicklung einer neuen Generation von Robotern, die sich selbst heilen, wird über die nächsten drei Jahre von der EU mit 3 Millionen Euro unterstützt. Daran beteiligt sind Forscher der Vrije Universiteit Brussel, der University of Cambridge, der École Supéri ... mehr

  • Videos

    Eine wasserbasierte, wiederaufladbare Batterie

    Ein Gramm Wasser löst sieben Gramm NaFSI-Salz auf. So entsteht eine klare Salzlösung mit einer elektrochemischen Stabilität von bis zu 2,6 Volt - doppelt so viel wie bei anderen wässrigen Elektrolyten. mehr

    Nanozellulose-Schwämme gegen ausgelaufenes Öl

    Mit Nanozellulose gegen die Ölverschmutzungen in Gewässer. Empa-Forschenden ist es gelungen, einen Nanozellulose-Schwamm herzustellen, der Öl im Wasser aufsaugt und immer noch schwimmt. So könnte man in Zukunft ganz einfach ausgelaufenes Öl im Wasser entfernen. mehr

    Brennstoffzellen: «Saubere» Mobilität dank Wasserstoff

    Wasserstoff wird oft als «Benzin der Zukunft» bezeichnet. Die Postauto Schweiz AG betreibt versuchsweise eine Wasserstofftankstelle in Brugg AG für ihre Brennstoffzellen-Busse. An diesem Projekt beteiligt sich die Empa in Beratungsfunktion. Sie untersucht die Effizienz der Wasserstoffproduk ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research

    mehr

    Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

    Empa

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.