Kontaktfreudiger Nanoschalter

Bei der aktuell noch fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauteile besteht eine fundamentale Grenze, sobald Dimensionen einzelner Atome erreicht werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich das Forschungsgebiet der molekularen Elektronik mit der Realisierung funktionaler elektrischer Schaltkreise, die aus einzelnen Atomen oder Molekülen aufgebaut sind, sowie der Suche nach neuartigen Materialien und Bauelementen, die diesen Zwecken dienen. Den theoretischen Physikern Fabian Pauly und seiner Mitarbeiterin Safa G. Bahoosh von der Universität Konstanz gelang es, in einem Team aus experimentellen Physikern und Chemikern einen molekularen Schalter aus nur einem Molekül zu demonstrieren, der sich atomar exakt identisch beliebig oft reproduzieren lässt. Grundlage ist ein eigens synthetisiertes Molekül mit speziellen Eigenschaften. Damit gelang ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Verwirklichung der molekularen Elektronik.

Fabian Pauly vergleicht das Molekül, das von Marcel Mayor an der Universität Basel (Schweiz) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) synthetisiert wurde, mit einem Ufo, das auf drei Beinen auf der Erdoberfläche steht und oben eine Art Kopf hat. An den drei „Beinen“ besitzt es Anker­gruppen, so dass es fest an die Ober­fläche bindet – in diesem Fall handelt es sich um eine Goldoberfläche. Gleichzeitig trägt es am „Kopf“ eine von der Gold­oberfläche weggerichtete Nitril­gruppe, die damit von der Oberfläche separiert ist. Eine zweite Elektrode, die Gold­spitze eines Raster­tunnel­mikroskops, kann anbinden und den elektronischen Kontakt herstellen. Dies ermöglicht schließlich den Stromfluss durch das Molekül. Mit der hochpräzisen Technik eines Raster­tunnel­mikroskops ist es nun erstmals für solch ein komplexes Dreibein-Molekül gelungen, an jeder Position über der Nitril­gruppe den Leitwert zu messen. Hierzu sind Längen­kontrollen im Bereich von Pikometern erforderlich.

Die Nitrilgruppe besitzt ein Dipolmoment, was neben der mechanischen auch die Ansteuerung mit Hilfe elektrischer Felder erlaubt. Mit der Spannung zwischen den Elektroden lässt sich so die Höhe des Kopfes steuern, wie theoretische Rechnungen von Safa G. Bahoosh zeigen. Wird ein positives Feld angelegt, drückt dies den Kopf des Moleküls nach unten; ist das angelegte Feld negativ, wird der Kopf nach oben bewegt. Der Kontakt kann auf diese Weise elektronisch hergestellt und wieder beendet werden. Damit lässt sich der Stromfluss an- und ausschalten. „Das Schöne an der Arbeit ist: Wir haben damit einen definierten An- und Auszustand“, sagt Fabian Pauly. Bisherige Konzepte scheiterten oft daran, dass die elektronische Kontaktierung einzelner Moleküle schlecht kontrollierbar war und deshalb nur statistische Aussagen über das Verhalten des molekularen Kontakts erlaubte.

Auf diese Weise konnte erstmals ein solcher Kontakt zwischen einem Molekül und der Goldspitze des Raster­tunnel­mikroskops tausendfach sowohl mechanisch als auch elektrisch geöffnet und geschlossen werden, ohne dass plastische Verformungen auftraten. Safa G. Bahoosh hat in der Arbeitsgruppe von Fabian Pauly anhand der Dichte­funktional­theorie neben geometrischen Strukturen auch die elektrischen Leit­werte und die zu erhaltenden Bilder im Raster­tunnel­mikroskop theoretisch vorausberechnet. So konnte die Post­doktorandin bereits in ihrer Simulation die Gestalt des einzelnen Moleküls auf der Oberfläche vorhersagen.

Ihre Ergebnisse stimmten mit denen der Experimente am KIT überein. Dort haben Forscher unter der Leitung von Lukas Gerhard und Wulf Wulfhekel den Elektronen­transport mit einem Raster­tunnel­mikroskop gemessen. Die theoretischen Simulationen erlauben in Kombination mit den systematischen Experimenten neue Erkenntnisse über Energien und Kräfte, die in einem molekularen Kontakt wirken.

U. Konstanz / DE