Atomare Schalter bringen molekulare Elektronik näher an die Realität
Forscher entwickeln Schalter auf Silberbasis, die zuverlässige Verbindungen zwischen Molekülen und Elektroden herstellen
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Forscher aus Japan haben atomare Schalter auf Silberbasis entwickelt, die stabile elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Molekülen und Elektroden herstellen und damit eine zentrale Herausforderung bei der Verdrahtung molekularer Elektronik angehen. Der Schalter funktioniert, indem er atomare Silberfäden bildet und unterbricht, wenn eine Spannung angelegt und umgekehrt wird, was dem "Ein"- und "Aus"-Zustand entspricht. Diese Methode ermöglicht die skalierbare Integration molekularer Komponenten und ebnet den Weg für ultrakompakte und energieeffiziente Schaltungen, die aus einzelnen Molekülen bestehen.
Der Atomschalter funktioniert durch das Bilden und Brechen eines winzigen Silberfadens in einer dünnen Schicht aus Tantaloxid. Wenn eine positive Spannung angelegt wird, bewegen sich die Silberatome und bilden eine leitende Brücke zwischen zwei Elektroden, wodurch der Schalter "eingeschaltet" wird. Wird die Spannung umgekehrt, bricht der Faden und der Schalter wird ausgeschaltet.
Institute of Science Tokyo
Künftige elektronische Schaltkreise werden vielleicht nicht aus Silizium, sondern aus einzelnen Molekülen aufgebaut. Wissenschaftler haben bereits gezeigt, dass molekulare Elektronik als Gleichrichter, Schalter und Speichereinheiten funktioniert. Es wird erwartet, dass solche Geräte kleiner und energieeffizienter sein werden als die heutige Elektronik. Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch darin, einen stabilen elektrischen Kontakt zwischen Molekülen und Metallelektroden herzustellen, der für den Zusammenbau der einzelnen Komponenten zu einem funktionierenden Schaltkreis unerlässlich ist.
Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines atomaren Schalters (AS), einer cleveren Alternative zu herkömmlichen mechanischen Schaltern. Anstelle von beweglichen Teilen stützt sich der AS auf chemische Reaktionen, die Metallionen bewegen oder Redoxveränderungen auslösen, um leitende Pfade zu schaffen und zu unterbrechen. Das macht ihn einfacher, zuverlässiger und leichter in molekulare Schaltungen der nächsten Generation zu integrieren.
Um den Einsatz von AS in molekularen Schaltkreisen zu realisieren, haben Forscher des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, nun ein AS auf Silberbasis demonstriert, das zur Verbindung einzelner Moleküle in einer Festkörperumgebung verwendet werden kann. Die Studie, die am 25. Oktober 2025 online in der Fachzeitschrift Small veröffentlicht wurde, ist ein Schritt auf dem Weg zur Schaffung molekularer Verbindungen, die verschiedene molekulare elektronische Komponenten miteinander verbinden können.
Das Forschungsteam wurde von den außerordentlichen Professoren Satoshi Kaneko und Tomoaki Nishino geleitet, zusammen mit den Doktoranden Dr. Akira Aiba und Sekito Nishimuro von Science Tokyo, in Zusammenarbeit mit Dr. Tohru Tsuruoka und Dr. Kazuya Terabe vom National Institute for Materials Science und Dr. Marius Buerkle vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.
"Die Verwendung von AS ermöglicht eine stabile molekulare Verdrahtung in einer Festkörperumgebung, so dass Spannung direkt an funktionelle Moleküle angelegt werden kann. Dieser Ansatz macht die mechanische Manipulation von Elektroden überflüssig, vereinfacht das Gerätedesign und ermöglicht Parallelisierung und Integration, was wichtige Schritte auf dem Weg zu einer skalierbaren molekularen Elektronik sind", sagt Kaneko.
Die AS bildet sich auf einem dünnen Film aus Tantaloxid (Ta 2 O 5 ). Es werden Acetylengasmoleküle eingeleitet und eine geringe Spannung angelegt, um atomare Silberfäden zu bilden, die sich mit diesen Molekülen verbinden. Wenn eine positive Spannung angelegt wird, bewegen sich die Silberatome und bilden einen Faden, der die Elektroden überbrückt und den Schalter "einschaltet". Wird die Spannung umgekehrt, bricht der Faden und der Schalter wird ausgeschaltet.
Wenn das Filament zerbricht, wird ein Acetylenmolekül zwischen den verbleibenden Silberatomen eingeschlossen und bildet eine molekulare Verbindung. In diesem Zustand überbrückt das Acetylenmolekül selbst die Lücke zwischen den Elektroden und lässt den Strom durchfließen. Durch eine weitere Spannungsänderung wird dieser molekulare Übergang schließlich unterbrochen, wodurch der Schaltzyklus abgeschlossen wird. Der Silber-AS auf Ta 2 O 5 -Basis funktionierte stabil bei niedrigen Spannungen (etwa 0,3 V) sowohl unter Ultrahochvakuumbedingungen als auch in einer Acetylenumgebung.
Das Team bestätigte, dass der Schalter wie vorgesehen funktionierte, indem es eine Technik namens inelastische Elektronentunnelspektroskopie einsetzte. Mit dieser Methode werden die winzigen Schwingungen von Molekülen erfasst, wenn Strom durch sie hindurchfließt. Die Acetylenmoleküle erzeugten deutliche Schwingungssignale, die zeigten, dass sie direkt mit dem Silberfaden verbunden waren und zur Stromübertragung beitrugen. Darüber hinaus zeigte der Leitwert des Geräts Werte von 10 -3 - 10 -1 G 0 , die typisch für Einzelmolekülverbindungen sind, was bestätigt, dass die elektrische Verbindung auf molekularer Ebene besteht.
Mit dieser neuen Technik entfällt die Notwendigkeit, Elektroden physikalisch zu justieren, um molekulare Verbindungen zu bilden - ein Prozess, der die molekulare Elektronik lange Zeit auf Laborexperimente beschränkt hat. Durch die Verwendung von Atomschaltern können mehrere molekulare Verbindungen automatisch und gleichzeitig hergestellt werden, was den Weg für eine zuverlässige und skalierbare Herstellungsmethode ebnet.
"Es wird erwartet, dass die Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung energieeffizienter molekularer Geräte wie Schalter und Sensoren leisten werden, die die Quanteneigenschaften von Molekülen nutzen", sagt Kaneko.
Dieser Durchbruch bringt uns in die Nähe ultrakompakter und energieeffizienter Geräte, bei denen ganze elektronische Schaltkreise aus einzelnen Molekülen aufgebaut sind.
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