Einzelmolekülschaltkreise bereiten den Weg für die Miniaturisierung der Elektronik
In der Vergangenheit war das Feld der Einzelmolekülelektronik durch die Möglichkeit inspiriert, die konstanten Verkleinerungen auf Komponenten in der Größe von Atomen und Molekülen zu extrapolieren, wobei Moleküle als die kleinste denkbare Funktionseinheit betrachtet werden. „Es hat sich gezeigt, dass Einzelmoleküle sich wie elektronische Komponenten wie z. B. Kabel, Widerstände und Schalter verhalten“, erklärt Dr. Philippe Hapiot, der Projektkoordinator von MOLCLICK. „Wir sind jedoch noch weit davon entfernt, zu verstehen, wie große Anordnungen von Einzelmolekülen so in ansprechbare Schaltkreise verkabelt werden können, dass sich überhaupt Größenvorteile bei der Nutzung eines auf Molekülen basierenden Systems ergeben würden.“ In einem Versuch, diese Lücke zu schließen, untersuchten Forscher im Rahmen des EU-finanzierten Projekts MOLCLICK, ob komplexe Schaltkreise auf Oberflächen mittels synthetischer Chemie aufgebaut werden könnten. „Wir haben uns zum Ziel gesetzt, unterschiedliche Methoden für den Aufbau molekularer Schaltkreise auf Oberflächen zu entwickeln und nach Wegen zu suchen, den Erfolg unserer Methoden zu bewerten. Anschließend soll erkundet werden, wie wir unsere Fähigkeiten in diesem Bereich ausbauen können“, ergänzt Projektforscher Dr. Michael Inkpen. Eine erfolgreiche Demonstration MOLCLICK hat erfolgreich demonstriert, dass synthetische Chemie für die Verkabelung in Einzelmolekülschaltkreisen genutzt werden kann. Konkret wurde im Rahmen des Projekts eine innovative Methode entwickelt, um Verbindungen zwischen einzelnen Fragmenten, die sich wie Widerstandsschaltkreiselemente verhielten, reversibel zu formen und aufzubrechen. Dies wurde anschließend mittels einer Bruchkontaktmethode auf der Grundlage der Rastertunnelmikroskopie bewertet, mit der die Leitfähigkeit der Moleküle auf der Oberfläche sowohl vor als auch nach synthetischer Modifikation gemessen wird. Bei der Bruchkontaktmethode auf Grundlage der Rastertunnelmikroskopie handelt es sich um eine Technik, die verwendet wird, um einzelne Moleküle für Testzwecke in einem Schaltkreis zu verkabeln – eine Methode, die von Dr. Latha Venkataraman von der Columbia Universität, einem weltweit führenden Experten auf diesem Gebiet und einer der Projektpartner, entwickelt wurde. „Da vor und nach der Modifikation klare Unterschiede bei der Leitfähigkeit zu beobachten waren, konnten wir bestätigen, dass wir tatsächlich die einfachen Molekülschaltkreise aufbauten, die im Rahmen des Projekts ursprünglich entwickelt wurden“, sagt Dr. Inkpen. „Vor allem konnten wir zeigen, dass unser Ansatz verallgemeinert werden kann, indem der Erfolg anderer synthetischer Methoden aufgezeigt wurde und im Prozess auch die Rolle der Bruchkontaktmethode auf der Grundlage der Rastertunnelmikroskopie als ein bemerkenswert empfindliches Oberflächenanalysewerkzeug aufgezeigt wurde. Der Schlüssel zur fortgesetzten Miniaturisierung Seit der Erfindung des Transistors im Jahr 1946 ging es bei der Miniaturisierung integrierter elektronischer Schaltkreise immer um die Reduzierung von Kosten und Größe bei gleichzeitiger Steigerung von Leistung und Leistungsfähigkeit. Aufgrund der Beschränkungen der aktuellen Technologie stagniert der Pfad in Richtung weiterer Miniaturisierung allerdings zwischenzeitlich. „Alternative Technologien und Materialien, wie zum Beispiel der Einsatz von Schaltkreisen aus Einzelmolekülen, wie in diesem Projekt aufgezeigt, bilden den Schlüssel zur fortgesetzten Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise in den kommenden Jahren und Jahrzehnten“,” ergänzt Dr. Hapiot. Obwohl das Projekt MOLCLICK offiziell geschlossen ist, werden die Arbeiten fortgesetzt. Dr. Inkpen wird zum Beispiel seine Arbeit an Einzelmolekülelektronik und Oberflächenchemie in seiner neuen Rolle als Lehrbeauftragter für Chemie an der Universität von Südkalifornien fortsetzen. „Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen werden sich als unschätzbar für meine unabhängige Forschungskarriere erweisen“, sagt er.
Schlüsselbegriffe
MOLCLICK, elektronische Geräte, Einzelmolekülelektronik, synthetische Chemie, Bruchkontaktmehtode auf der Grundlage der Rastertunnelmikroskopie, STM-BJ
