03.06.2020 - Friedrich-Schiller-Universität Jena

Neuartige Nano-Schalter lassen sich per Lichtsignal bedienen

Graphen wird „intelligent“

Ein Forschungsteam der Friedrich-Schiller-Universität und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt entwickelt neuartige Nano-Schalter, die sich per Lichtsignal bedienen lassen. In der Fachzeitschrift „Chemistry A European Journal“ stellen die Forscher ihr Konzept eines photoschaltbaren Feldeffekt­transistors vor. Darin kommen ultradünne intelligente Materialien zum Einsatz: eine leitfähige Schicht aus Graphen, kombiniert mit einer einzigen molekularen Lage mit funktionalen Azobenzol-Einheiten.

Intelligente Werkstoffe

Das Team um Prof. Dr. Andrey Turchanin vom Institut für Physika­lische Chemie der Universität Jena entwickelt intelligente Werkstoffe. „Intelligent meint in diesem Zusammenhang, dass sich Werkstoffe an verän­dernde Umgebungsbe­din­gungen anpassen und dadurch ihre Eigenschaften ändern“, erläutert Prof. Turch­anin. Der Materialwissenschaftler hat in seiner Arbeit vor allem den Werkstoff Graphen im Blick. Nur eine Atomlage dick, ist diese Form des Elements Kohlenstoff besonders leitfähig, extrem reißfest und biegsam, härter als Stahl und doch ultraleicht. „Diese Eigenschaften machen Graphen für einen Einsatz in elektronischen Nanobauteilen, wie Transistoren, interessant“, sagt Turchanin.

„Intelligent“ wird Graphen jedoch erst, wenn sich seine elektronischen Eigen­schaften gezielt steuern und kontrolliert variieren lassen. Und genau dafür haben Turchanin und seine Jenaer Kollegen jetzt eine vielversprechende Methodik entwickelt. In einer gera­de veröffentlichten Studie kombi­nieren sie Graphen mit einem ca. einen Nanometer dünnen moleku­laren Nanoblatt, das mit Azobenzol-Einheiten funktionalisiert ist „Das Besondere an diesem organischen Material ist, dass es durch den Einfluss von Licht seine molekulare Struktur verändert“, so Turchanin. Durch die Bestrahlung mit ultra­violettem Licht vollzieht sich in den Azobenzol-Mole­külen eine Konfigurationsänderung, die zu verän­der­ten Eigenschaften der Molekül­schicht führt — in diesem Fall zu einem veränderten Dipol­moment. Die Einstrahlung von sichtbarem Licht bewirkt eine Konfigurations­änderung in umgekehrte Richtung. 

Licht schaltet den Stromfluss „an“ oder „aus“

Der winzige Transistor aus einer Lage Graphen und einem ultradünnen azobenzol-funktionalisierten Nanoblatt beschichtet funktioniert so: Wird eine Spannung angelegt, fließt durch die Graphenschicht ein Strom. Wird UV-Licht dazugeschaltet, wird durch die veränderten Dipoleigenschaften der Azobenzol-Einheiten in dem darunter­liegenden Graphen ein elektrisches Feld induziert, was den Stromfluss unterbricht. Bestrahlt man den Transistor dagegen mit blauem Licht, ändert sich die Konfigu­ration erneut, was bedeutet, dass wieder Strom fließt. „Wir können den Stromfluss also durch eine geziel­te Bestrahlung regulieren“, erläutert Andrey Turchanin die Funktionsweise des lichtbe­triebenen Nano-Schalters.

Dieses Sandwich-Prinzip, so die Autoren der Studie, lasse sich als Grundlage für eine ganze Reihe von Anwen­dungen nutzen. Einsetzbar sind solche zweidimensionalen schaltbaren Materialien zum Beispiel in Energiespeichern, wie Kondensatoren und Batterien, die durch den Lichteinfall ihre Kapazität verändern. Andere Anwendungs­möglichkeiten sind Sensoren, etwa zum Nachweis von Krankheitserregern. „Statt der photosensiblen Azobenzene könnte man Moleküle auf die Graphenschicht aufbringen, an die Viruspartikel oder Bakterien spezifisch binden. Sobald das passiert, würde in einem solchen Sensor der Stromfluss unterbrochen und der Detektor zeigt ein Signal an“, so Turchanin.

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