Hüpfende und tunnelnde Elektronen

Eine grundlegende Analyse zeigt den Wandel der Leitfähigkeit in Polymeren in Abhängigkeit von der Moleküllänge.

Minneapolis (USA) – Wer in Zukunft Schaltkreise aus einzelnen Molekülen und Atomen aufbauen will, muss die Leitfähigkeit des Materials auf der Nanoebene genau kennen. In Nanoröhrchen aus Kohlenstoff bewegen sich Elektronen auf ballistischen Bahnen und ermöglichen eine Leitfähigkeit, die besser als in Kupfer oder Silber ist. Auch in metallischen Nanodrähten, wo der Widerstand linear mit der Länge des Leiters zunimmt, sind die Leitfähigkeiten weitestgehend verstanden. Amerikanische Materialforscher analysierten nun den elektrischen Widerstand in Nanodrähten aus Polymeren. In der Zeitschrift „Science“ berichten sie über den Übergang von tunnelnden zu hüpfenden Elektronen.

„Wir beobachteten den theoretisch vorhergesagten Übergang des Stromtransports vom Tunneln zum Hüpfen als eine Funktion der Länge der Drähte“, schreiben Seong Ho Choi und seine Kollegen von der University of Minnesota in Minneapolis. Dazu deponierten sie 1,5 bis 7,3 Nanometer lange organische Leiter aus dem Polymer Oligophenylenimin auf einer hochreinen Goldoberfläche. An einem Ende stellten sie den Kontakt über eine Goldelektrode her, am anderen schlossen sie den Stromkreis mit der metallischen Spitze eines Atomkraftmikroskops. Für unterschiedliche Längen nahmen die Wissenschaftler Strom-Spannungs-Kennlinien auf.

Bis zu einer Länge von etwa drei Nanometern beobachteten sie in den molekularen Drähten einen exponentiellen Anstieg des elektrischen Widerstands etwa 30.000 Ohm auf knapp eine Milliarde Ohm. Zwischen vier und acht Nanometer Länge verändert sich dieses Verhalten schlagartig: Der elektrische Widerstand nimmt mit der Länge nur noch linear bis auf wenige Milliarden Ohm zu. „Diese Messungen auf der Nanoskala beleuchten die Rolle der Moleküllänge und der Bindungsarchitektur für die molekulare Leitfähigkeit“, so die Forscher.

Verantwortlich für diesen abrupten Übergang beim Anstieg des elektrischen Widerstands ist das Verhalten der Elektronen. Bis etwa drei Nanometer Moleküllänge dominieren tunnelnde Elektronen die elektrische Leitfähigkeit. Entsprechend theoretischer Abschätzungen nimmt hier der Widerstand exponentiell mit der Länge zu. Oberhalb von drei Nanometern dagegen hüpfen die Elektronen zwischen einzelnen Molekülabschnitten, was den linearen Anstieg des Widerstands analog zu langen metallischen Leitern erklärt.

„Diese Ergebnisse können zu einem besseren Verständnis des Elektronentransports in konjugierten Polymerfilmen beitragen“, schreiben Choi und Kollegen. Dies ist für den kontrollierten Aufbau von molekularen Schaltkreisen auf der Basis von leitfähigen Kunststoffen von großer Bedeutung.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Seong Ho Choi, BongSoo Kim, C. Daniel Frisbie, Electrical Resistance of Long Conjugated Molecular Wires, Science 320, 1482 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1156538
• University of Minnesota in Minneapolis:
  http://www.umn.edu
• Chemical Engineering & Materials Science:
  http://www.cems.umn.edu
• Arbeitsgruppe von C. D. Frisbie:
  http://www.cems.umn.edu/research/frisbie/

Weitere Literatur:

• Nitzan, M. A. Ratner, Science 300, 1384 (2003).
• W. B. Davis, W. A. Svec, M. A. Ratner, M. R. Wasielewski, Nature 396, 60 (1998).
• Y. Selzer et al., Nano Lett. 5, 61 (2005).
• P. Prins et al., Phys. Rev. Lett. 96, 146601 (2006).
• J. M. Beebe, B.-S. Kim, J. W. Gadzuk, C. D. Frisbie, J. G. Kushmerick, Phys. Rev. Lett. 97, 026801 (2006).