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Klein, kleiner, molekulare Elektronik

7.11.2017 | FoE Advanced Materials Science | News+Stories | Planet research

Von Birgit Baustädter

Verkleinerung ist das Interesse des Forschungsbereiches der molekularen Elektronik. Sie ist eine Weiterentwicklung der Mikroelektronik und beschäftigt sich mit Schaltkreisen auf Molekülbasis.

Ein Mann im schwarzen Pullover und eine Frau in weißer Bluse schauen in die Kamera. Hinter ihnen befindet sich ein Computerbildschirm mit bunten Abbildungen.
TU Graz-Forschender Egbert Zojer und die erfolgreiche ehemalige Dissertantin Veronika Obersteiner.

Immer kleiner sollen elektronische Alltagsgegenstände werden – dabei immer leistungsstärker und effizienter. Auf Verkleinerung zielt auch der Forschungsbereich der molekularen Elektronik ab, der ein Bereich der Mikroelektronik ist und auch am Institut für Festkörperphysik der TU Graz erforscht wird. Im Zentrum des Interesses steht dabei, wie Strom in einzelnen Molekülen, Moleküllagen (also in einer Schicht angeordneten Molekülen) oder Molekül-Clustern fließen kann. „Molekulare Elektronik ist die ultimative Miniaturisierung der Elektronik – plötzlich werden die einzelnen Moleküle zu aktiven Elementen und die Schaltkreise wären somit um einiges kleiner, als sie es zum Beispiel in der Mikroelektronik sind“, erzählt Egbert Zojer vom Institut für Festkörperphysik der TU Graz.

Heute konzentriert man sich darauf, die Grundlagen besser zu verstehen.

So weit ist die internationale Forschungscommunity derzeit aber noch nicht: „Von einer tatsächlichen Anwendung ist man heute noch meilenweit entfernt. Nach einem Boom um die Jahrtausendwende musste man erkennen, dass es doch wesentlich komplizierter ist, als angenommen. Heute konzentriert man sich darauf, die Grundlagen besser zu verstehen“, so Zojer. Derzeit will man also erst einmal verstehen, wie und unter welchen Bedingungen die Vorgänge funktionieren und Anwendungen möglich wären. Wichtig ist ein genaueres Verständnis davon, wie Strom in molekularen Systemen fließt, beispielsweise auch für Anwendungen, in denen bereits jetzt schon Bauelemente aus Molekülen eingesetzt werden. Ein Beispiel, das wir täglich in Händen halten, sind die OLED-Displays in Smartphones, die ebenfalls aus organischen Halbleitern bestehen. 

As basic as it can be

Das einfachste Bauelement der molekularen Elektronik sind Elektroden, zwischen denen sich Moleküle befinden. Untersucht wird nun, wie sich Ladung durch ein Molekül hindurch zwischen den Elektroden bewegt. Immer mehr ins Zentrum des Forschungsinteresses rückte in letzter Zeit die Rolle sogenannter Dipole, die auf der einen Seite partiell negativ und auf der anderen Seite partiell positiv geladen sind. Sie kommen beispielsweise an allen Grenzflächen zwischen den Metallelektroden und Molekülen vor und entwickeln einen dominanten Einfluss, sobald sich Moleküle zu komplexeren Systeme anordnen – also in Molekülclustern oder Monolagen. Dort sorgen sie für starke Verschiebungen in der Energielandschaft und verändern dadurch grundlegend die Transprteigenschaften. 

Veranschaulichen kann man sich das mit einer Analogie: Man stellt sich zwei Becher vor, die teilweise mit Wasser gefüllt sind. Die Becher stehen in diesem Bild für die Elektroden, das Wasser für die Ladungen und der Wasserstand für das elektrische Potential auf dem sich die Elektroden befinden. Zwischen beiden Bechern existieren Leitungen und man muss nun, um Wasser von einem Becher in den anderen zu leiten, den Wasserspiegel im ersten Becher soweit anheben, dass er hoch genug ist, damit Wasser durch die Leitung fließen kann. Wie weit man den Wasserstand dazu erhöhen muss, hängt von der Lage der Leitungen ab. Die Rolle der Leitungen übernehmen im Bereich der molekularen Elektronik die Energieniveaus der Moleküle und, wie nun gezeigt wurde, hängen deren Positionen stark von der Clustergröße ab, also davon, wie viele Dipole sich in unmittelbarer Nachbarschaft befinden. 

Wir merken, dass es mittlerweile einen großen AHA-Effekt in der Community gibt und man sich immer mehr dafür zu interessieren beginnt.

Bisher wurde in Simulationsmodellen häufig vom Verhalten eines einzelnen Moleküls auf Moleküllagen geschlossen oder umgekehrt. 2012 haben Zojer und sein Forschendenteam erstmalig auf diesen Umstand hingewiesen, der nach wie vor in der Forschungscommunity gerne übersehen wird, und versuchen seither für Awareness zu sorgen. „Wir merken, dass es mittlerweile einen großen AHA-Effekt in der Community gibt und man sich immer mehr dafür zu interessieren beginnt“, fasst Zojer zusammen. In einer jüngst erschienen Arbeit diskutieren die Veronika Obersteiner und Egbert Zojer mit Kollegen aus Barcelona und Lyngby die Situation von Molekülclustern. Dabei weisen sie darauf hin, dass es neben der elektrostatisch bedingten Verschiebung der Energieniveaus mit der Clustergröße auch ausgeprägte elektrostatische Randeffekte gibt, sich also der Transport durch Moleküle in der Clustermitte massiv von dem durch Randmoleküle unterscheidet.

Natürlich ist der Einfluss von Dipolen nicht der einzige Effekt, der in der molekularen Elektronik berücksichtigt werden muss. Sein Verständnis ist allerdings ein weiterer wichtiger Schritt, um das große Gesamtbild molekularer Bauelemente zu verstehen.

Dieses Forschungsprojekt ist im FoE „Advanced Materials Science“ angesiedelt, einem der fünf Stärkefelder der TU Graz.

Information

Das Paper „Unconventional Current Scaling and Edge Effects for Charge Transport through Molecular Clusters“ wurde gerade im für die Community zentralen Journal Nano Letters veröffentlicht. Es ist eine von vier Publikationen in renommierten Fachzeitschriften, die im Rahmen der Dissertation von Veronika Obersteiner unter Betreuer Egbert Zojer und Oliver T. Hofmann enstanden sind. 

Kontakt

Egbert ZOJER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institut für Festkörperphysik 
Petersgasse 16/III
8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8475
egbert.zojernoSpam@tugraz.at