Molekulare Elektronik Betäubungsstrahl für Schalter-Molekül

Schaltungen aus einzelnen Molekülen können den Weg zu noch kleineren elektronischen Bauteilen eröffnen. Um molekulare Schalter besser zu erforschen, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung eine Laser-Falle entwickelt. Damit „betäuben“ sie das eigentlich unruhige Schalter-Molekül und erlauben so längere Kontaktzeiten in der Schaltung sowie bessere Untersuchungsmöglichkeiten.

Mainz – Seit 1941 der erste funktionsfähige Digitalrechner „Zuse Z3“ entwickelt wurde, hat sich im Bereich der Computertechnik einiges getan. Elektronische Bauteile, insbesondere Prozessoren, wurden immer weiter miniaturisiert und sind inzwischen so klein, dass ein physikalisches Limit erreicht ist: Komponenten können bald nicht mehr weiter verkleinert werden, weil die Fabrikationsmethoden an ihre Grenzen stoßen. Die so genannte Molekulare Elektronik könnte in Zukunft helfen, noch leistungsfähigere, kleinere und schnellere elektronische Bauteile zu entwickeln.

Hierfür sollen die bereits aus der „normalen“ Elektronik bekannten Komponenten durch einzelne Moleküle oder Molekülgruppen nachgebildet werden, um so beispielsweise molekulare Transistoren, Kondensatoren oder Widerstände herzustellen. Neben kleineren Bauteilen verspricht der Einsatz von Molekülen einen geringeren Materialausschuss und günstigere Bauteile.

Elektronik im Molekül-Maßstab

Die Umsetzung von molekularen Schaltungen bzw. die Charakterisierung von geeigneten Molekülen ist allerdings eine Herausforderung: Zum einen müssen einzelne Moleküle, die typischerweise nur einige Nanometer groß sind, mit der makroskopischen Welt durch elektrische Kontakte verbunden werden. Zum anderen müssen sie stabil kontaktiert bleiben. Aber Ankleben, Schweißen oder Löten funktioniert auf der molekularen Größenskala nicht.

Ein Wissenschaftlerteam vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung um Gruppenleiterin Dr. Katrin F. Domke hat es nun geschafft, das Molekül Benzen-Dithiol (BDT), das in dem Bereich der Molekularen Elektronik als ein Standard „Bauteil“ angesehen werden kann, länger als sonst stabil zwischen zwei Metall-Elektroden kontaktiert zu halten. Statt einer bisher üblichen Dauer von etwa einer zehntel Sekunde, konnte das Team die Kontaktzeit um den Faktor zehn auf über eine Sekunde verlängern. „Wir waren begeistert als wir sahen, wie die Lebensdauer mit der verwendeten Laserleistung größer wurde. So schafften wir es, einen Molekül-Kontakt über einen noch nie zuvor gemessenen Zeitraum bei Raumtemperatur in einem Standard-Rastertunnelmikroskop stabil zu halten“, sagt Dr. Albert C. Aragonès, der ebenfalls an der Studie gearbeitet hat.

Molekulare Elektronik

So fließt Strom zwischen Fullerenen

Auch wenn ein eine Sekunde lang stabiler Kontakt immer noch sehr kurz klingt, eröffnet dies komplett neue Möglichkeiten: So lassen sich dank der Verlängerung der Kontaktdauer jetzt Eigenschaften des Einzelmolekülkontakts gründlicher charakterisieren, um z. B. die Eignung des entsprechenden Moleküls für eine bestimmte Aufgabe oder sein Verhalten während des Stromflusses zu untersuchen.

Wie man mit Licht ein Molekül festhält

Für ihre Methode haben Aragonès und Domke die Molekülfalle, in der das Molekül kontaktiert wird, mittels Laserlicht verstärkt. Dieser Ansatz ist zwar experimentell im Detail sehr anspruchsvoll, besteht praktisch jedoch nur aus vier Komponenten: Ein Molekül – in diesem Fall Benzen-Dithiol – wird auf eine Gold-Elektrodenoberfläche aufgebracht und von oben mit einer weiteren Gold-Elektrode kontaktiert – mit einem Abstand von etwa einem halben millionstel Meter zwischen beiden Elektroden. Beleuchtet man diesen winzigen Metall-Molekül-Metall-Kontakt nun mit einem Laserstrahl, wird aufgrund der Kontaktgeometrie das elektromagnetische Laserfeld rund um das Molekül um gut einen Faktor 1000 verstärkt. Diese starken Feldlinien wiederum halten das Molekül zwischen den Elektroden fest und erhöhen so die Lebensdauer des Molekülkontakts, sodass dieser über einen deutlich längeren Zeitraum hinweg beobachtet und charakterisiert werden kann als ohne Laserlicht.

„Wir waren begeistert, als wir festgestellt haben, dass sich die Leitfähigkeit und Kontaktgeometrie des mit einem Laserstrahl gefangenen Moleküls nicht von denen des Moleküls im ‚Dunklen‘ unterscheiden“, sagt Studienleiterin Domke. So können aus den Messergebnissen Rückschlüsse auf das Verhalten von „normalen“, unbestrahlten Molekülkontakten gezogen werden, die für echte molekulare Schaltungen relevant sind.

Bis Molekulare Elektronik einsatzbereit und eine echte Alternative zur aktuellen Siliziumelektronik ist, dürften noch einige Jahre vergehen – mit ihrer Forschung haben Domke und Aragonès jedoch einen weiteren Schritt für die Entwicklung von molekülbasierten elektronischen Bauteilen ermöglicht.

Originalpublikation: Aragonès, A. C.; Domke, K. F.: Nearfield Trapping Increases Lifetime of Single-Molecule Junction by One Order of Magnitude. Cell Reports. Physical Science 2, 100389 (2021)

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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