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Eine stabile Brücke von Molekülen
Einem internationalen Team unter Beteiligung der Universität Bern ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu miniaturisierten Schaltkreisen gelungen: Erstmals haben Forschende eine molekulare Brücke für Elektronen gebaut, die bei Raumtemperatur sowohl mechanisch als auch elektronisch stabil bleibt. Dies könnte in Zukunft den Bau elektronischer Systeme im Nanobereich mit völlig neuartigen Funktionen ermöglichen.
Molekulare Elektronik, in der Schaltelemente aus Molekülen zusammengesetzt sind, könnte in Zukunft den Bau elektronischer Systeme im Nanobereich mit völlig neuartigen Funktionen ermöglichen. Die einzelnen Komponenten müssen indes präzise konstruiert und auf atomarer Ebene zusammengesetzt werden.
Unter der Leitung von Michel Calame von der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) arbeitet ein internationales Forschungsteam an der Integration von molekularen Bauelementen mit sogenannten Graphen-Elektroden. Zu den Partnern gehören Forschende des Departements für Chemie und Biochemie (DCB) der Universität Bern, der Universität Basel, 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 neuen, kürzlich in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» veröffentlichten Studie waren seitens der Universität Bern Professor Silvio Decurtins und Dr. Shi-Xia Liu vom DCB beteiligt.
Eine Brücke, die hält
Als Graphen wird eine atomar dünne Schicht mit einer Bienenwaben-Struktur bezeichnet, welche nur aus Kohlenstoff-Atomen besteht. Als elektrischer Leiter ist diese Schicht ein zukünftiges Bauelement in molekularen Schaltkreisen, da sie mit diversen Molekülen kombiniert werden kann. Die Forschenden verfolgten das Ziel, eine stabile molekulare Brücke zwischen diesen Graphen-Schichten zur Kontrolle des Stroms zu bauen. Die grösste Herausforderung dabei ist, einen effizienten elektronischen Transport zwischen den beiden Graphen-Elektroden zu gewährleisten. Die molekulare Brücke muss, um Schwankungen zu vermeiden, bei Raumtemperatur mechanisch und elektronisch robust sein.
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 molekularen Brücke. «Eine schwache Kopplung zwischen den Molekülen 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, Erstautorin 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 Forschenden ist es nun gelungen, reproduzierbare Brückenelemente zu bauen, die beide Eigenschaften vereinen: mechanische und elektronische Stabilität. Die Moleküle, die am Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern synthetisiert wurden, bestehen aus drei Komponenten: einer Silangruppe (blau), einer Kopfgruppe (rot) und einer trennenden Alkankette (grün), wie in der Figur der chemischen Verbindung dargestellt. Die Aufgabe der Silangruppe ist es, die Moleküle mechanisch auf dem Siliziumoxid-Substrat zu verankern.
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. Der dritte Teil des Moleküls ist die Alkankette. Sie isoliert den Silan-Anker und die Kopfgruppe elektronisch voneinander.
Drei Moleküle zur Auswahl
Um sich an eine optimale Lösung heranzutasten, untersuchten die Forschenden für die Kopfgruppe drei verschiedene chemische Verbindungen, Eine davon 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 erwies sich als nicht ideal, da zwar eine elektronische Brücke entstand, diese aber nicht genügend Stabilität bot. Der erfolgreiche dritte Kandidat war Biphenyl-N-Carbazol (rote Kopfgruppe). Diese Molekülgruppe führte zu einer deutlich stärkeren Überlappung der Orbitale und dadurch zu stabilen Verbindungen mit einem Strom, der um mehrere Grössenordnungen höher war als beim Kontrollmolekül.
Die Forschenden konnten auch zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften der Brückenkonstruktion mit den Molekülen der optimalen Kopfgruppe bei Temperaturen von lediglich 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt bis hin zu Raumtemperaturen stabil sind. «Damit ist eine einfache, aber effektive Strategie entwickelt, um in Zukunft molekülbasierte Funktionen in nanoelektronische Systeme zu integrieren», so Michel Calame.
Quelle: Empa

Angaben zur Publikation:
M El Abbassi, S Sangtarash, X Liu, M L Perrin, O Braun, C Lambert, H S J van der Zant, S Yitzchaik, S Decurtins, S Liu, H Sadeghi & M Calame; Robust graphene-based molecular devices; Nature Nanotechnology (2019); DOI: 10.1038/s41565-019-0533-8
01.10.2019