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29.11.2021

06.04.2021

Wie Moleküle helfen können, Elektronik zu miniaturisieren

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Zwischen dem Zuse Z3, dem ersten funktionsfähigen Digitalrechner von 1941, und modernen Mikroprozessoren liegen Welten - sowohl was Geschwindigkeit als auch Größe betrifft. Doch die weitere Miniaturisierung der aktuellen, siliziumbasierten Elektronik stößt aufgrund der Fabrikationsmethoden an ihre Grenzen.

Richtungsweisend für die Realisierung zukünftiger, noch kleinerer Schaltkreise ist die Molekulare Elektronik. Ein Forscherteam um Dr. Katrin Domke vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat nun mit einem neuartigen Experiment große Fortschritte bei der Charakterisierung von für Molekulare Elektronik geeigneten Molekülen gemacht.

In den letzten Jahrzehnten wurden elektronische Bauteile, insbesondere Prozessoren, immer weiter miniaturisiert. Inzwischen ist ein physikalisches Limit erreicht: Komponenten können bald nicht mehr weiter verkleinert werden, weil die Fabrikationsmethoden an ihre Grenzen stoßen. Das aufstrebende Feld der Molekularen Elektronik könnte in Zukunft helfen, noch leistungsfähigere, kleinere und schnellere elektronische Bauteile zu entwickeln.

Hierfür sollen die bereits aus der "normalen" Elektronik bekannten Komponenten durch einzelne Moleküle oder Molekülgruppen nachgebildet werden, um so beispielsweise molekulare Transistoren, Kondensatoren oder Widerstände herzustellen. Neben kleineren Bauteilen verspricht der Einsatz von Molekülen zusätzlich weniger Materialausschuss und günstigere Bauteile.

Die Charakterisierung von geeigneten Molekülen bzw. der Aufbau von funktionalen Schaltungen aus solchen Molekülen ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung: Zum einen müssen einzelne Moleküle, die typischerweise nur einige Nanometer (millionstel Meter) groß sind, mit der makroskopischen Welt durch elektrische Kontakte verbunden werden. Zum anderen müssen sie stabil kontaktiert bleiben. Denn: Ankleben, Schweißen oder Löten funktioniert auf der molekularen Größenskala nicht!

Das Wissenschaftlerteam um Gruppenleiterin Dr. Katrin F. Domke und Marie-Curie-Postdoktorand Dr. Albert C. Aragonès (Arbeitskreis Prof. Mischa Bonn) hat es nun geschafft, das Molekül Benzen-Dithiol (BDT), das in dem Bereich der Molekularen Elektronik als ein Standard-Arbeitspferd gesehen werden kann, länger als sonst stabil zwischen zwei Metall-Elektroden kontaktiert zu halten. Statt einer bisher üblichen Dauer, die sich im Bereich einer zehntel Sekunde bewegte, konnte das Team die Kontakt-Lebensdauer um den Faktor 10 auf über eine Sekunde verlängern.

"Wir waren begeistert als wir sahen, wie die Lebensdauer mit der verwendendeten Laserleistung größer wurde. So schafften wir es, einen Molkül-Kontakt über einen noch nie zuvor gemessenen Zeitraum bei Raumtemperatur in einem Standard-STM stabil zu halten. Ein spannender Moment!", sagt Albert C. Aragonès.

Was zunächst immer noch sehr kurz klingt, eröffnet jedoch komplett neue Möglichkeiten für die Wissenschaft: So ermöglicht die Verlängerung der Kontaktdauer jetzt eine gründlichere Charakterisierung der Eigenschaften des Einzelmolekülkontakts, um z. B. die Eignung des entsprechenden Moleküls für eine bestimmte Aufgabe oder sein Verhalten während des Stromflusses zu untersuchen.

Für ihre Methode haben Aragonès und Domke die Molekülfalle, in der das Molekül kontaktiert wird, mittels Laserlicht verstärkt. Dieser Ansatz ist zwar experimentell im Detail sehr anspruchsvoll, besteht praktisch jedoch nur aus vier Komponenten: Ein Molekül - in diesem Fall BDT - wird auf eine Gold-Elektrodenoberfläche aufgebracht und von oben mit einer weiteren Gold-Elektrode kontaktiert - in einem Elektroden-Abstand von etwa einem halben millionstel Meter.

Beleuchtet man diesen winzigen Metall-Molekül-Metall-Kontakt nun mit einem Laserstrahl, wird aufgrund der Kontaktgeometrie das elektromagnetische Laserfeld rund um das Molekül um gut einen Faktor 1000 verstärkt. Diese starken Feldlinien wiederum halten das Molekül zwischen den Elektroden fest und erhöhen so die Lebensdauer des Molekülkontakts, so dass dieser über einen deutlich längeren Zeitraum hinweg beobachtet und charakterisiert werden kann als ohne Laserlicht.

"Wir waren begeistert, als wir festgestellt haben, dass sich die Leitfähigkeit und Kontaktgeometrie des mit einem Laserstrahl gefangenen Moleküls nicht von denen des Moleküls im 'Dunklen' unterscheiden", sagt Katrin Domke. So können aus den Messergebnissen ihrer Apparatur Rückschlüsse auf das Verhalten von "normalen", unbestrahlten Molekülkontakten gezogen werden, die für echte molekulare Schaltungen relevant sind.

Bis Molekulare Elektronik einsatzbereit und eine echte Alternative zur aktuellen Siliziumelektronik ist, dürften noch einige Jahre vergehen - mit ihrer Forschung, die nun in dem renommierten Journal "Cell Reports Physical Science" veröffentlicht wurde, konnten Domke und Aragonès jedoch einen wichtigen Schritt im Hinblick auf die Entwicklung von molekülbasierten elektronischen Bauteilen gehen.

» Originalpublikation

Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P)