29.05.2018

Schalten mit nur einem Molekül

Einzelnes Molekül streut Lichtsignale je nach angelegter Spannung.

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unter­schiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neu­artige Bau­elemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen. Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Nun konnten die Forscher ein einzelnes Molekül als Schaltelement für Lichtsignale einsetzen.

Abb.: Elektrisch schaltbares organisches Molekül (Bild: Y. Gong / TUM / J. Am. Chem. Soc.)

„Das Schalten mit nur einem Molekül bringt die zukünftige Elektronik einen Schritt näher an das absolute Limit der Miniaturisierung“, sagt der Nano­wissenschaftler Joachim Reichert vom Physik-Department der TU München. Das Team entwickelte zunächst ein Verfahren, das es erlaubt, Moleküle in starken optischen Feldern gezielt elektrisch zu kontaktieren und mit Hilfe einer angelegten Spannung anzu­steuern. Bei einer Spannung von etwa einem Volt verändert das Molekül seine Struktur, es wird flach, leitend und streut Licht.

Dieses je nach Struktur unterschiedliche optische Verhalten des Moleküls ist für die Forscher spannend. Denn die Streuaktivität – es handelt sich hier um Ramanstreuung – lässt sich beobachten und gleich­zeitig mit Hilfe der anliegenden Spannung an- und abschalten.

Die Forscher verwendeten für ihren Schalter eigens von einem Team aus Basel und Karlsruhe synthetisierte Moleküle, die gezielt ihre Struktur ändern, wenn man sie auflädt. Die auf einer Metall­ober­fläche angeordneten Moleküle werden mit einer sehr dünn mit Metall beschichteten Spitze eines Glas­fragments kontaktiert. Dieses dient gleich­zeitig als elektrischer Kontakt, Licht­quelle und Licht­kollektor. Darüber leiten die Forscher Laser­licht zum Molekül und messen in Abhängig­keit der angelegten Spannung winzige spektro­skopische Signale.

Einzelne Moleküle elektrisch zu kontaktieren, ist technisch extrem heraus­fordernd. Die Wissenschaftler konnten dieses Verfahren nun erfolgreich mit der Einzel­molekül­spektroskopie kombinieren. So lassen sich kleinste Struktur­veränderungen in Molekülen überaus präzise beobachten. Ein Ziel der molekularen Elektronik ist es, neu­artige Bau­elemente zu entwickeln, um herkömmliche, auf Silizium basierte Vor­richtungen durch integrierte und direkt ansteuer­bare Moleküle zu ersetzen. Aufgrund seiner winzigen Dimensionen eignet sich dieses Nano­system für Anwendungen in der Opto­elektronik, bei denen Licht mit elektrischen Spannungen geschaltet werden soll.

TUM / DE

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