Molekulare Schalter für die Mikroelektronik

Durch äußere Spannungen lassen sich Komplexe aus organischen Molekülen und metallischen Atomen zwischen unterschiedlichen Bindungszuständen umschalten.

Am IBM Forschungszentrum in Zürich bauten Wissenschaftler einen Schalter aus einem Molekül und einem Goldatom. Durch Anlegen einer Spannung von -1,5 V an die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM) konnte der Tunnelstrom um zwei Größenordnungen erhöht bzw. verringert werden. Gleichzeitig ermittelten die Forscher die Geometrie des Komplexes mittels Rasterkraftmikroskopie.

Abb.: Parallel zu kombinierter Rastertunnel- (links) und -kraftmikroskopie (mitte) wurde der Prozess am Computer mittels Dichtefunktionaltheorie simuliert (rechts). Oben ist der „ungebundene“ Zustand (Schalter aus, niedriger Strom) dargestellt, in den unteren beiden Reihen der „gebundene“ Zustand (Schalter an, hoher Strom). Gut zu sehen sind die fünf Kohlenstoffringe des PTCDA. Das Molekül wölbt bei Bindung mit dem Goldatom von der Oberfläche weg. (Bild: F. Mohn et al., Phys. Rev. Lett. 105, 266102 (2010), American Physical Society) 

Zur elektrischen Isolierung wurden Goldatome und das PTCDA-Molekül (Perylen-3,4,9,10-Tetracarboxyl Dianhydrid) auf einer Natriumchloridschicht verteilt. Mit der STM-Spitze schoben die Wissenschaftler dann ein Goldatom an das Molekül heran. Eine Spannung an der STM-Spitze, welche für eine mikroelektronische Anwendung noch durch eine geeignete Elektrode ersetzt werden muss, verändert die elektronische Struktur des Komplexes durch Erzeugung eines neuen Bindungszustandes so stark, dass die Ströme sich um einen Faktor 100 unterschieden. Die verschiedenen Zustände („an“ und „aus“) blieben stabil und konnten reversibel durch Spannungen unterschiedlicher Polarität ineinander umgeformt werden.

KK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  F. Mohn et al.: „Reversible Bond Formation in a Gold-Atom–Organic-Molecule Complex as a Molecular Switch“, Phys. Rev. Lett. 105, 266102 (2010)
  doi: 10.1103/PhysRevLett.105.266102
• IBM Research Zürich