Molekulare Elektronik Eine stabile Brücke aus Molekülen

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.
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.

Eine bei Raumtemperatur stabile molekulare Brücke auf Basis von Elektroden aus Graphen verspricht die weitere Miniaturisierung von Schaltkreisen.

Mit Hilfe einer solchen Brücke ließen sich elektronische Systeme im Nanobereich mit völlig neuartigen Funktionen aufbauen. Jetzt ist es Empa-Forschern gemeinsam mit Partnern aus der Schweiz, den Niederlanden, Israel und Großbritannien erstmals gelungen, eine solche Brücke zwischen den Graphen-Elektroden zu konstruieren, wie sie in der neusten Ausgabe von »Nature Nanotechnology« berichten.

Das ist deshalb ein entscheidender Schritt, weil es ohne solcher bei Raumtemperatur mechanisch und elektronisch stabiler Brücken nicht möglich wäre, Schaltelemente aus Molekülen im Nanobereich zusammen zu setzen.

Die größte Schwierigkeit besteht darin, 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. Dann aber sind die Transporteigenschaften der Brücke aufgrund der fehlenden Kontrolle über die Elektrodengeometrie und Elektrodenkanten schlecht definiert. Dies bedeutet, dass die elektronischen Eigenschaften stark variieren.

Ein dreiteiliges Molekül bringt den Durchbruch

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 bildet die Alkankette. Sie isoliert den Silan-Anker und die Kopfgruppe elektronisch voneinander. Die so gebildeten Moleküle werden zwischen den beiden Graphen-Elektroden gestapelt und ergeben 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, die 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.

An dem Projekt arbeiten die Forscher des Empa-Labors »Transport at Nanoscale Interfaces« unter der Leitung von Michel Calame 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.