Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fortschritt für die molekulare Elektronik: Licht an – Molekül an

20.04.2015

Mit einzelnen Molekülen Informationen zu speichern und verarbeiten, um daraus kleinstmögliche Bausteine zu entwickeln, die sich selbstständig zu einem Schaltkreis zusammensetzen – daran arbeiten Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Konstanz. Wie sie nun in der Fachzeitschrift „Advanced Science“ berichten, konnten sie erstmalig den Stromfluss durch ein einzelnes Molekül mit Hilfe von Licht einschalten.

Die molekulare Elektronik wird zukünftig ein Fenster hin zu neuartigen und immer noch kleineren und zugleich energieeffizienten Bauelementen oder Sensoren aufstoßen, davon ist Dr. Artur Erbe, Physiker am HZDR, überzeugt: „Einzelne Moleküle sind die kleinsten, zu einem Prozessor integrierbaren Bausteine, die wir uns derzeit vorstellen können.“ Bis heute jedoch ist es noch nicht gelungen, ein Molekül so maßzuschneidern, dass es Strom leiten kann und dass sich der Strom – wie bei einem elektrischen Schalter – gezielt ein- und wieder ausschalten lässt.


Licht an - Molekül an: Ein Lichtstrahl schaltet ein einzelnes Diarylethen-Molekül in einen geschlossenen Zustand (rote Atome), sodass Strom durch das Molekül und dessen Nanodrähte fließen kann.

HZDR/Pfefferkorn

Dazu bedarf es eines elektrisch leitenden Moleküls, bei dem sich an einer Stelle eine ansonsten feste Bindung zwischen einzelnen Atomen löst – und genau dann wieder schließt, wenn Energie in die Struktur gepumpt wird. In aufwendigen Versuchen hat der Chemiker Dr. Jannic Wolf an der Universität Konstanz herausgefunden, dass eine bestimmte Diarylethen-Verbindung als Kandidat in Frage kommt.

Die Vorteile des rund drei Nanometer langen Moleküls: Es verdreht sich nur wenig, wenn es seine Struktur an einem Punkt öffnet, und es verfügt über zwei Nano-Drähte, die zur Kontaktierung verwendet werden können. Dass das Diarylethen der Wahl in offenem Zustand keinen Strom leitet, während es in geschlossenem Zustand zum Leiter wird und deshalb ein anderes physikalisches Verhalten zeigt, konnten die Wissenschaftler aus Konstanz und Dresden bei vielen reproduzierbaren Messungen erstmals für ein einzelnes Molekül sicher nachweisen.

Rechner aus dem Reagenzglas

Eine Besonderheit dieser molekularen Elektronik: Sie findet in einer Flüssigkeit im Reagenzglas statt, denn die Moleküle werden in Lösung kontaktiert. Um herauszufinden, welche Auswirkungen die Lösungsbedingungen für die Schaltprozesse haben, war deshalb auch ein systematisches Ausprobieren verschiedener Lösungsmittel nötig. Damit Strom fließen kann, muss das Diarylethen an den Enden der Nano-Drähte an Elektroden angeschlossen werden. „Wir haben dafür am HZDR eine Nano-Technologie entwickelt, die auf hauchdünne Spitzen aus nur wenigen Gold-Atomen setzt. Dazwischen spannen wir die schaltbare Diarylethen-Verbindung“, erklärt Dr. Erbe.

Trifft nun ein Lichtstrahl auf das Molekül, so schaltet es vom geöffneten in den geschlossenen Zustand mit der Folge, dass Strom fließt. „Wir konnten so erstmalig ein einzelnes kontaktiertes Molekül anschalten und zudem den Nachweis erbringen, dass genau das Molekül zum Stromleiter wird, das wir bestrahlt haben“, freut sich Dr. Erbe. „Zudem haben wir den molekularen Schaltmechanismus sehr detailliert charakterisiert, weshalb ich glaube, dass uns damit ein wichtiger Schritt hin zu einem echten molekularen Elektronik-Bauteil geglückt ist.“

Das Ausschalten klappt beim kontaktierten Diarylethen allerdings noch nicht, doch Dr. Erbe ist zuversichtlich: „Unsere Theorie-Kollegen am HZDR berechnen gerade, wie genau sich das Molekül verdrehen muss, damit der Stromfluss unterbrochen wird. Gemeinsam mit den Konstanzer Chemikern werden wir in der Lage sein, das Design und die Synthese für das Molekül entsprechend umzusetzen.“

Allerdings handelt es sich hierbei um Grundlagenforschung, die viel Geduld erfordert: Alleine die Kontaktierung des Diarylethen-Moleküls mittels Elektronenstrahl-Lithographie und die anschließenden Messungen dauerten drei Jahre. Bereits vor rund zehn Jahren war es einer Arbeitsgruppe an der niederländischen Universität Groningen gelungen, einen molekularen Schalter zu bauen, der in der Lage war, den Stromfluss zu unterbrechen. Auch dieser Aus-Schalter funktionierte nur in einer Richtung, doch konnte damals nicht sicher nachgewiesen werden, dass die Leitfähigkeitsänderung an genau ein Molekül gebunden war.

Nano-Elektronik in Dresden

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten in Dresden ist die sogenannte Selbstorganisation. „DNA-Moleküle etwa sind in der Lage, sich ohne Zutun von außen selbst zu Strukturen anzuordnen. „Wenn es uns gelingt, logische Schalter aus sich selbst organisierenden Molekülen zu bauen, dann kommt der Rechner der Zukunft aus dem Reagenzglas“, prophezeit Dr. Erbe.

Die Riesenvorteile dieser neuen Technologie liegen auf der Hand: Milliarden teure Fertigungsanlagen, wie sie für die Mikroelektronik von heute benötigt werden, könnten dann der Vergangenheit angehören. Doch nicht nur für die Produktion, sondern auch für den Betrieb neuartiger molekularer Bauteile wird extrem wenig Energie benötigt.

Die Voraussetzungen, um die molekulare Elektronik von morgen zu erforschen und zu entwickeln, sind in Dresden mit dem hier ansässigen Helmholtz-Kolleg NANONET sehr gut. Neben dem HZDR sind an dem strukturierten Promotionsprogramm die Technische Universität Dresden, das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF), das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und die NaMLab gGmbH beteiligt.

Publikation:
T. Sendler, K. Luka-Guth, M. Wieser, Lokamani, J. Wolf, M. Helm, S. Gemming, J. Kerbusch, E. Scheer, T. Huhn, A. Erbe: „Light-Induced Switching of Tunable Single Molecule Junctions”, in Advanced Science, Online-Publikation am 16. April 2015, DOI: 10.1002/advs.201500017

Weitere Informationen:
Dr. Artur Erbe | Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 351 260 2366 | E-Mail a.erbe@hzdr.de

Prof. Dr. Elke Scheer | Universität Konstanz, Fachbereich Physik
Tel. +49 7531 88 4712 | E-Mail: Elke.Scheer@uni-konstanz.de

Medienkontakte:
Dr. Christine Bohnet | Pressesprecherin
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Bauzner Landstr. 400 | 01328 Dresden
Tel. +49 351 260 2450 | E-Mail: c.bohnet@hzdr.de

Universität Konstanz | Kommunikation und Marketing
Universitätsstraße 10 | 78464 Konstanz
Tel: +49 7531 88 3603 | E-Mail: kum@uni-konstanz.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden Großgeräte mit teils einmaligen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

http://www.hzdr.de
http://www.uni.kn

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Satellitenbilder zur Erfassung von Biodiversität nur bedingt tauglich
20.11.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

nachricht Sehen, hören und fühlen in der Nanowelt
20.11.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Klein aber Fein: Das Designhaus "Frankel" aus England

20.11.2017 | Unternehmensmeldung

Mehr Sicherheit beim Fliegen dank neuer Ultraschall-Prüfsysteme

20.11.2017 | Maschinenbau

Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz

20.11.2017 | Physik Astronomie