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 Besser lernen dank Zink?
23.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Raben: "Junggesellen" leben in dynamischen sozialen Gruppen
23.03.2017 | Universität Wien

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: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen