Künstliche Intelligenz
Molekulare Lichterkette: Hybride Elektronik für maßgeschneiderte Schaltungen
Die molekulare Elektronik könnte künftig leistungsfähigere, kleinere und schnellere elektronische Bauteile ermöglichen. Bekannte Komponenten wie Transistoren, Kondensatoren oder Widerstände bestehen dabei aus einzelnen Molekülen oder Molekülgruppen. Einem Team um Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz ist nun ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen. Sie haben Graphenbänder mit speziellen molekularen Verbindungen kombiniert. Die Ergebnisse erschienen im Fachmagazin „Nature Chemistry“.
Molekulare Zickzack-Drähte
Für ihre Studie haben die Forschenden spezielle Moleküle mit einem Metallzentrum an ein Nanoband aus Graphen angebunden. So gelingt es dem Team, die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Moleküle an elektronische Komponenten anzubinden.
Die Graphen-Nanobänder bestehen aus einer zweidimensionalen Schicht von Kohlenstoffatomen mit einer Breite von nur wenigen Nanometern. Dessen elektrische und magnetische Eigenschaften hängen von der Struktur des Bands ab. Das Forschungsteam erzeugte in seiner Studie Nanobänder mit Zickzack-Rändern. In regelmäßigen Abständen dockten sie an den Rändern des Graphen-Bands spezielle Moleküle an, abwechselnd links und rechts. Damit wirkte das Graphen wie ein molekulares, elektrisch und magnetisch leitendes Kabel zwischen den Molekülen.
Mit atomarer Präzision können die Forschenden Zickzack-Strukturen im Graphen herstellen und gezielt Porphyrin-Moleküle andocken. Die Abbildungen zeigen zwei verschiedene Mikroskopie-Aufnahmen der Strukturen (oben Rastertunnelmikroskopie, unten Rasterkraftmikroskopie).
(Bild: Empa)
Bei den Molekülen handelt es sich um sogenannte Porphyrine. Porphyrine sind chemische Strukturen, die auch in der Natur vorkommen, zum Beispiel im Hämoglobin des menschlichen Bluts oder im Chlorophyll von Pflanzen. Die Moleküle bilden einen organischen Ring aus Kohlenstoff, in dessen Mitte einzelne Metallionen verankert werden können. Das Team testete etwa Zink, Eisen und Gold.
Die Art des gebundenen Metallions bestimmt dabei die Eigenschaften der Struktur. „Unser System ist ein Baukasten, mit dem man unterschiedliche Eigenschaften einstellen kann“, sagt Roman Fasel, Leiter des „nanotech@surfaces“-Labors des Empa und leitender Autor der Studie. Hergestellt hat das Team die komplexen Moleküle unter Hochvakuum bei einigen Hundert Grad Celsius auf einer Goldoberfläche.
Anwendungen in der Quantentechnologie
Als nächsten Schritte will das Team unterschiedliche Metallzentren in die Porphyrine einsetzen und deren Effekt untersuchen. Außerdem will es ein breiteres Graphenband austesten, um den Molekülen eine vielseitigere elektronische Basis zu bieten.
Das Team sieht für seine Bauteile mögliche Anwendungen in der Quantentechnologie. „Unser Graphenband mit den Porphyrinen könnte als eine Reihe von miteinander vernetzten Qubits funktionieren“, sagt Fasel.
Da Porphyrine in der Natur häufig als Farbstoffe wirken, etwa im Chlorophyll oder Hämoglobin, können sie außerdem Licht emittieren – wie eine molekulare Lichterkette. Die Wellenlänge hängt dann von den magnetischen Eigenschaften des Systems ab, sprich, Informationen könnten anhand von leichten Farbänderungen ausgelesen werden.
Umgekehrt könnten die Porphyrine auch durch Licht angeregt werden, um so die Eigenschaften des Graphens zu beeinflussen, oder als chemische Sensoren agieren.
(spa)