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Nano-Schaltmatrix aus einzelnen Molekülen

Berliner Forschern gelingt Fortschritt auf dem Weg zu molekularer Elektronik

14.10.2008

Gitter der schaltbaren Moleküle - die geschalteten Moleküle erscheinen hell.
Gitter der schaltbaren Moleküle - die geschalteten Moleküle erscheinen hell. Bildquelle: Freie Universität Berlin / Grill

Wissenschaftlern der Freien Universität und der Humboldt-Universität ist ein bedeutsamer Fortschritt in der Nanoforschung gelungen. Die Gruppen um den österreichischen Experimentalphysiker Leonhard Grill und den Chemiker Stefan Hecht haben erstmals gezeigt, wie die Schalteffizienz von einzelnen Molekülen auf einer Oberfläche durch ihre Position gezielt variiert werden kann.

Dadurch lassen sich periodische Anordnungen von schaltbaren Molekülen mit einem Gitterabstand von nur drei Nanometern aufbauen, da sich der Ort des Schaltvorgangs präzise kontrollieren lässt. Dieser Abstand ist etwa 100.000 mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht (November-Ausgabe: "Spatial periodicity in molecular switching").

Extreme Form der Miniaturisierung

Ein zentrales Ziel der Nanotechnologie besteht darin, einzelne Moleküle zu elektronischen Bauelementen zusammenzufügen. Diese sogenannte molekulare Elektronik würde Funktionen, die in Schaltkreisen, Sensoren und Maschinen Anwendung finden, auf ein heute kaum vorstellbares Maß verkleinern. Bei industrieller Nutzung würde eine Vielzahl von Anwendungen revolutioniert. Trotz des enorm hohen Potenzials für diese extreme Form der Miniaturisierung stellt die Integration der molekularen Bausteine in komplexere Strukturen ein bislang ungelöstes Problem dar. Insbesondere das gezielte Ansteuern einzelner funktionaler Moleküle in den häufig durch Selbstorganisation erzeugten Strukturen gelang bisher nur durch zeitaufwendiges individuelles Kontaktieren mithilfe der Spitze eines Rastertunnelmikroskops.

Ab- und Anschalten von Molekülen

Den Forscherteams um die Wissenschaftler Leonhard Grill und Stefan Hecht ist es nun gelungen, einen völlig neuen Lösungsansatz für dieses zentrale Problem zu entwickeln. Hierzu wurden maßgeschneiderte Schaltermoleküle synthetisiert und bezüglich ihrer Fähigkeit untersucht, auf einer Metalloberfläche zwischen zwei Zuständen (“an“ und “aus“) hin- und herzuschalten. Bereits in früheren Arbeiten konnte das Team zeigen, dass solche Schaltermoleküle reversibel betrieben, also an- und wieder ausgeschaltet werden können. Nun wurden die Moleküle durch das Anbringen chemischer Gruppen auf eine Weise modifiziert, dass sich der Ort des Schaltvorgangs präzise kontrollieren ließ. Es ergab sich ein periodisches Muster, eine Art “Nano-Schaltmatrix“, auf der durch Anlegen von Spannungspulsen örtlich kontrollierbare reversible Schaltvorgänge innerhalb von selbstorganisierten molekularen Schichten möglich sind. Diese Schaltvorgänge ähneln den wiederholbaren Schreib- und Löschvorgängen in konventionellen Speichermedien, jedoch erfolgen diese in einer wesentlich kleineren Dimension.

Konzeptionell neuartiger Ansatz

Dank der fruchtbaren Zusammenarbeit von Oberflächenphysik und organischer Synthesechemie konnte in dieser Arbeit ein detailliertes Verständnis von molekularen Schaltprozessen an Metalloberflächen gewonnen werden. Die Ergebnisse erlauben es, die Schaltprozesse mit bisher unerreichter Präzision zu kontrollieren. Zwar sind die Ergebnisse der Grundlagenforschung zuzuordnen, doch skizzieren sie einen konzeptionell neuartigen Ansatz, molekulare Bauelemente individuell anzusteuern und damit die Möglichkeit, dass eine molekulare Elektronik mit elektronischen Schaltkreisen auf der Nanometerskala eines Tages Wirklichkeit wird.