Diode aus einem Molekül

Ein inter­nationales Team unter der Leitung der Uni­versität Bern und des bri­tischen National Physical Labora­tory eröffnet der nächsten Generation von nano­elekt­ronischen Geräten neue Wege. Der Forschungs­bereich der molekularen Nano­elektronik zielt darauf ab, einzelne Moleküle als Bausteine für elek­tronische Geräte zu nutzen, deren Funktionen zu verbessern und die Ent­wicklung möglichst kleiner und dennoch kontrollier­barer Geräte zu ermög­lichen. Das Haupt­hindernis, das bisher konkrete Fort­schritte erschwerte, bestand in der feh­lenden stabilen Verbindung zwischen den Mole­külen und den verwendeten Metallen bei Raum­temperatur. Graphen besitzt nicht nur eine hervor­ragende mechanische Stabi­lität, sondern auch eine hohe elek­trische und thermische Leit­fähigkeit, womit das zwei­dimensionale Material für die mole­kulare Elektronik attraktiv ist.

Das Forscher­team konnte nun eine auch bei Raum­temperatur stabile Verbindung zwischen Graphen und einzelnen Molekülen demons­trieren. Dies war mit den bisher standard­mäßig verwen­deten Metallen nicht möglich und stellt daher einen wichtigen Schritt im Hinblick auf die Entwicklung von graphen­basierten elek­tronischen Geräten dar. Die Anlagerung spezi­fischer Moleküle auf graphen­basierten elek­tronischen Geräten erlaubt es, die Geräte­funktionen anzu­passen, haupt­sächlich indem der elek­trische Wider­stand verändert wird. Einen Zusammen­hang zwischen allgemeinen Geräteigenschaften und den Eigen­schaften einzelner ange­lagerter Moleküle herzu­stellen, ist jedoch schwierig. Dies kommt daher, dass der elek­trische Widerstand an der Graphen­oberfläche nicht überall gleich groß ist und der Durchschnitts­wert diese Unter­schiede nicht wieder­gibt. Alexander Rudnev und Veerab­hadrarao Kali­ginedi maßen daher den elekt­rischen Strom, der durch einzelne ange­lagerte Moleküle floss. Sie verwen­deten dazu eine rausch­arme Technik, die es ihnen erlaubte, von Molekül zu Molekül separate Werte zu messen. Ausgehend von theo­retischen Berechnungen konnten sie so zeigen, dass der chemische Kontakt eines Moleküls zur Graphen-Schicht die Funktions­weise von solchen elek­tronischen Geräten vorgibt.

„Unsere Einzel-Molekül-Dioden zeigen, dass die Vorzugs­richtung von elek­trischem Strom tat­sächlich geändert werden kann, indem man den chemischen Kontakt der einzelnen Moleküle verändert“, sagt Rudnev. „Mit der sorg­fältigen Her­stellung der jeweiligen chemischen Verbindungen von Molekülen und graphen­basierten Materialien können wir die Funk­tionalität der Nano-Elektro­geräte steuern“, ergänzt Ivan Rungger. „Unsere Resultate stellen einen großen Fort­schritt für die praktische Anwendung von elek­tronischen Nano­geräten dar. Wir erwarten, dass unsere Technik des stabilen chemischen Kontakts einen mar­kanten Umbruch im Forschungs­bereich auslösen wird“, fasst Kaliginedi zusammen. Die Ergeb­nisse zu den Graphen-Molekül-Schnitt­stellen sollen Forscher auch bei der Arbeit mit Energie­umwandlung helfen, und allgemein die Effizienz von elek­tronischen Nano­geräten steigern.

U Bern / JOL