Nanotechnik mit Licht schalten

Ein Forschungsteam der Uni Jena und der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt entwickelt neuartige Nano-Schalter, die sich per Lichtsignal bedienen lassen. Die Wissen­schaftler präsentieren jetzt ihr Konzept eines photo­schalt­baren Feld­effekt­transistors. Darin kommen ultra­dünne intelligente Materialien zum Einsatz: eine leitfähige Schicht aus Graphen, kombiniert mit einer einzigen molekularen Lage mit funktionalen Azobenzol-Einheiten.

Das Team um Andrey Turchanin entwickelt intelligente Werkstoffe. „Intelligent meint in diesem Zusammen­hang, dass sich Werkstoffe an verändernde Umgebungs­bedingungen anpassen und dadurch ihre Eigen­schaften ändern“, erläutert Turchanin, der bei seiner Arbeit vor allem Graphen im Blick hat. Nur eine Atomlage dick, ist diese Form des Elements Kohlenstoff besonders leitfähig, extrem reißfest und biegsam, härter als Stahl und doch ultraleicht. „Diese Eigen­schaften machen Graphen für einen Einsatz in elektro­nischen Nano­bau­teilen, wie Transistoren, interessant.“

„Intelligent“ wird Graphen jedoch erst, wenn sich seine elektro­nischen Eigen­schaften gezielt steuern und kontrolliert variieren lassen. Und genau dafür haben Turchanin und seine Kollegen jetzt eine viel­ver­sprechende Methodik entwickelt: Sie kombinieren Graphen mit einem etwa einen Nanometer dünnen molekularen Nanoblatt, das mit Azobenzol-Einheiten funktiona­lisiert. „Das Besondere an diesem organischen Material ist, dass es durch den Einfluss von Licht seine molekulare Struktur verändert“, so Turchanin. Durch die Bestrahlung mit ultra­violettem Licht vollzieht sich in den Azobenzol-Molekülen eine Konfigu­rations­änderung, die zu veränderten Eigen­schaften der Molekül­schicht führt — in diesem Fall zu einem veränderten Dipol­moment. Die Einstrahlung von sichtbarem Licht bewirkt eine Konfigu­rations­änderung in umgekehrte Richtung.

Der winzige Transistor aus einer Lage Graphen und einem ultra­dünnen, mit Azobenzol funktio­nali­sierten Nanoblatt funktioniert so: Wird eine Spannung angelegt, fließt durch die Graphen­schicht ein Strom. Wird UV-Licht dazuge­schaltet, wird durch die veränderten Dipol­eigen­schaften der Azobenzol-Einheiten in dem darunter­liegenden Graphen ein elektrisches Feld induziert, was den Stromfluss unter­bricht. Bestrahlt man den Transistor dagegen mit blauem Licht, ändert sich die Konfigu­ration erneut, was bedeutet, dass wieder Strom fließt. „Wir können den Stromfluss also durch eine gezielte Bestrahlung regulieren“, erläutert Turchanin die Funktions­weise des licht­betriebenen Nano-Schalters.

Dieses Sandwich-Prinzip lasse sich als Grundlage für eine ganze Reihe von Anwendungen nutzen. Einsetzbar sind solche zwei­dimen­sionalen schalt­baren Materialien zum Beispiel in Energie­speichern, wie Konden­satoren und Batterien, die durch den Licht­einfall ihre Kapazität verändern. Andere Anwendungs­möglich­keiten sind Sensoren, etwa zum Nachweis von Krankheits­erregern. „Statt der photo­sensiblen Azobenzene könnte man Moleküle auf die Graphen­schicht aufbringen, an die Virus­partikel oder Bakterien spezifisch binden. Sobald das passiert, würde in einem solchen Sensor der Stromfluss unter­brochen und der Detektor zeigt ein Signal an“, so Turchanin.

FSU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Tang et al.: Optically Triggered Control of the Charge Carrier Density in Chemically Functionalized Graphene Field Effect Transistors, Chem. Eur. J. 26, 6289 (2020); DOI: 10.1002/chem.202001491
• Angewandte physikalische Chemie und molekulare Nanotechnologie (A. Turchanin), Institut für Physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena