Spintronik auf Graphenbasis für nächste Generation der Molekularelektronik-Bauelemente
Noch vor nicht allzu langer Zeit wurden Spintronik — die Entwicklung von Elektronik im Nanobereich zur Herstellung von Festplatten auf Grundlage der Erkennung und Manipulation des Elektronenspins — und Molekularelektronik — der Einsatz von Molekülen als Grundbaustein elektronischer Schaltkreise — getrennt betrachtet. Mit der Entwicklung eines schaltbaren Raum-Temperatur-Spin-Polarisators unter Einsatz von elektroaktiven und magnetischen Molekülen und deren Einbindung in mit ferromagnetischen Materialien modifizierten Elektroden des Graphentyps weist ACMOL der Spintronikforschung einen neuen Weg. „Trotz des schnellen Fortschritts in der Spintronik stellt die ‘molekulare Spintronik’ immer noch eine große Herausforderung dar“, erklärt Dr. Núria Crivillers, Koordinatorin des Projekts für ICMAB-CSIC in Spanien. „Und während der Markt eine kontinuierliche Verringerung der Größe der die Festplatten bildenden Magneten einfordert, stand immer noch die Antwort auf die Frage aus, wie der Molekularspin mit elektrischem Strom interagiert.“ ACMOL leistet einen Beitrag zu dieser Antwort in Form eines Machbarkeitsnachweises, dass ein elektrischer Strom mit dem Molekularspin interagieren kann, der zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden kann. Das Projekt ermöglichte die Messung und den geregelten Ladungstransport über Elektroden-Molekül-Elektroden-Verbindungsstellen, entwickelte eine neuartige, auf Graphen basierende Technologie für molekulare Spintronik und verglich deren Leistung mit der Standardtechnologie auf Grundlage von Münzmetallen. „Gold ist das bevorzugte Material zur Bildung von Elektroden im Nanometerabstand für Modellversuche in der Molekularelektronik, aber diese Elektroden sind bei Raumtemperatur nicht stabil, verfügen über eine schlechte Reproduzierbarkeit und gestatten keine Spin-Injektion. Graphen hingegen hat eine derartige Stabilität zu bieten. In ihm sind hohe mechanische Festigkeit, außergewöhnlich hohe elektronische und thermische Leitfähigkeit, Gasundurchlässigkeit, Stabilität bei Raumtemperatur vereint und seiner zweidimensionalen Struktur wohnt das Potenzial auf besser reproduzierbare molekulare Übergänge inne“, sagt Dr. Crivillers. Dank ACMOL ist die Technologie zur Realisierung derartiger stabiler Elektroden und damit in Verbindung stehender molekularer Bauelemente um einiges weiterentwickelt worden. Und das ist nur einer der zahlreichen Erfolge des Projekts: Man führte insbesondere eine sorgfältige Charakterisierung von graphenbasierten molekularen Bauelementen von Raumtemperatur bis in kryogene Temperaturbereiche durch, man wies nach, auf welche Weise kovalent auf ein mechanisch robustes Graphensubstrat gepfropfte Moleküle ideale Kandidaten für molekulare elektronische Bauelemente der nächsten Generation darstellen könnten, man entwickelte eine neue Methodik zur Massenfertigung von im Nanobereich beabstandeten Elektroden mit räumlicher Beschränkung im Nanometermaßstab und geringem Energieverbrauch, man entwickelte ein All-Carbon-Break-Junction-Verfahren (vollständig aus Kohlenstoff bestehender Bruchkontakt) für Rastertunnelspektroskopie-Konfigurationen (Scanning Tunneling Spectroscopy, STM), bei dem neuartige STM-Graphitspitzen eingeführt wurden, und man schuf neue zukunftsweisende rechnerische Methoden zur Behandlung des Quantenelektronentransports, die in die Smeagol-Software implementiert wurden. „Unsere Bauelemente könnten dazu beitragen, die Entwicklung einer neuen Generation von leistungsstarken, kostengünstigen, stabilen, vielseitigen, ultraschnellen und energiesparenden elektronischen Bauelementen in Bereichen wie etwa der Datenspeicherung mit hoher Speicherdichte, Mikroelektronik, (Bio)-Sensoren, Quantencomputing und Medizintechnik zu beschleunigen“, hebt Dr. Crivillers hervor. Obwohl die Ambitionen des Projekts nicht darin bestanden, sich über die Grundlagenforschung hinauszuwagen, wird das Verständnis und die Kontrolle der Molekularspin-Elektronen-Interaktion und die Entwicklung von graphenbasierter Technologie sicherlich zur wissenschaftlichen und technologischen Revolution der molekularen Spintronik beitragen. „Wir sind überzeugt, dass die ACMOL-Resultate bei der Entwicklung neuer Konzepte hilfreich sein werden, die Hybridtechnologien lenken, welche über die Grenzen der gegenwärtigen Technologie auf Siliziumbasis hinausgehen können“, sagt Dr. Crivillers. Für die Zukunft sieht sie neben Graphen insbesondere Anwendungen bei weiteren geschichteten Materialien wie etwa MoS2, BN oder MoSe2. Insgesamt können die technischen, experimentellen und rechnerischen Errungenschaften von ACMOL Europa auf den Gebieten der molekularen Spintronik und Graphentechnologien konkurrenzfähiger werden lassen.
Schlüsselbegriffe
ACMOL, Spintronik, molekulare Elektronik, Molekularelektronik, Graphen, Festplatte, Elektronik
