Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chemiker der FAU arbeiten an besseren Solarzellen und schnelleren Mini-Computern

01.09.2014

Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind der Vision elektronischer Bauteile im Nanobereich ein wichtiges Stück näher gekommen. Sie haben nachgewiesen, dass Elektronen über starre molekulare Drähte viel schneller transportiert werden können als über flexible.

Gemeinsam mit japanischen Partnern arbeiten die Forscher an effektiveren und günstigeren Solarzellen sowie an winzigen und höchst leistungsstarken elektronischen Bauteilen. Ihre Ergebnisse haben sie jetzt auf dem renommierten Portal „Nature Chemistry“ veröffentlicht.*


Elektronische Kommunikation im Nanobereich: verschieden lange molekulare Drähte als Brücke zwischen zwei Molekülen. Guldi

Kaum haben wir uns daran gewöhnt, dass selbst leistungsfähige Computerchips mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind, dringen Wissenschaftler in noch kleinere Dimensionen vor: die Nanoelektronik.

Ziel der aktuellen Forschungen ist es, einzelne Moleküle als elektronische Bauteile zu verwenden, um Daten logisch zu verknüpfen, zu speichern und zu verarbeiten. Damit solche Bauteile miteinander interagieren können, müssen sie auf der Nanoebene verknüpft werden – durch sogenannte molekulare Drähte.

„Wir sind dabei, ein grundlegendes Verständnis für den Transport von Elektronen durch molekulare Drähte zu gewinnen“, sagt Prof. Dr. Dirk M. Guldi vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der FAU. „Elektrischen Strom durch nanoskalige Drähte zu leiten, hat sich als probates Hilfsmittel erwiesen, das Transportverhalten unterschiedlicher Drahtlängen zu charakterisieren.“

Welche Struktur ist die beste?

Bei der konventionellen Methode werden die beiden Enden des nanoskaligen Drahtes durch zwei Elektroden kontaktiert und dadurch die Leitfähigkeit bestimmt. Die Arbeitsgruppe um Dirk Guldi verfolgt einen anderen Ansatz: den der kovalenten Bindung. Hierbei übernehmen kohlenstoffbasierte Moleküle die Funktion des Elektronendonors an einem Ende und des Elektronenakzeptors am anderen Ende des molekularen Drahtes.

Regt man den Donor zum Beispiel durch Licht elektronisch an, so gibt er ein Elektron ab, das durch den Nanodraht zum Akzeptor transportiert wird. Mit Hilfe der Ultrakurzzeit-Spektroskopie, deren zeitliche Auflösung im Bereich von wenigen Femtosekunden liegt, wird die Dauer des Elektronentransfers über verschiedene Drahtlängen gemessen.

„Durch diese Messungen gewinnen wir Aufschluss darüber, welche Molekülstrukturen sich für den Ladungstransfer besonders eignen“, erklärt Christina Schubert aus der Arbeitsgruppe Guldi.

Ein zentrales Hindernis beim Transfer von Elektronen sind molekulare Bewegungen im Nanodraht, etwa die Verdrillung um Einfachbindungen. Um den Elektronentransfer aber auch über vergleichsweise lange Distanzen bis zu 36,4 Å zu ermöglichen, werden Drähte benötigt, die sowohl starr als auch eben sind.

Hier arbeiten die Erlanger Chemiker eng mit Forschungspartnern der Universität Tokio zusammen. Die japanische Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Eiichi Nakamura hat sich auf die Entwicklung neuer Synthesereaktionen spezialisiert und versorgt die Erlanger Wissenschaftler mit starren Kohlenstoffdrähten, an denen der Elektronentransport im Nanobereich untersucht werden kann.

Deutlich stärkere Effekte als erwartet

Bei ihren Experimenten mit den starren Kohlenstoffbrücken konnten die Erlanger Forscher nun erstmals feststellen, dass die elektronische Kommunikation zwischen dem Elektronendonor und dem Elektronenakzeptor viel stärker ist als bei vergleichbaren, nicht starren Kohlenstoffdrähten – und zwar um das Drei- bis Vierfache.

Zusätzlich hat sich gezeigt, dass die „Elektron-Vibrations-Kopplung“, die das inelastische Tunneln von Elektronen ermöglicht, einen erheblichen Einfluss auf den Ladungstransfer hat. Das inelastische Tunneln bahnt einen neuen Weg für das Elektron, was zu einer viel schnelleren Ladungsrekombination führt.

Die Chemiker um Dirk Guldi haben nun herausgefunden, dass die Elektron-Vibrations-Kopplung in starren Kohlenstoffbrücken etwa doppelt so stark ist wie in flexiblen Drähten. Christina Schubert: „Das inelastische Tunneln von Elektronen konnten wir erstmals auch bei Raumtemperatur nachweisen. Jetzt arbeiten wir daran, maßgeschneiderte Nanodrähte mit neuen Funktionsweisen in molekularen Bauteilen zu konstruieren.“

Solarzellen der Zukunft: Günstig, umweltfreundlich und flexibel

Das visionäre Ziel der Forschergruppen ist es, integrierte Bauteile und elektronische Schaltkreise auf molekularer Ebene für die Datenverarbeitung zu entwickeln sowie Sonnenenergie um ein vielfaches effizienter zu nutzen als heute. Im Zentrum der Untersuchungen stehen Kohlenstoff-Nanostrukturen – Fullerene, Kohlenstoffröhrchen und Graphen – die in Lösung, in transparenten Filmen und auf Elektrodenoberflächen untersucht werden.

Forscher des Departments Chemie der FAU beginnen bereits damit, solche Kohlenstoffkomponenten in Solarzellen zu integrieren, um deren Effizienz zu steigern. „Organische Solarzellen könnten künftig die derzeit verwendeten Siliziumsolarzellen ersetzen“, sagt Dirk Guldi. „Sie sind sehr viel preisgünstiger herzustellen, die eingesetzten Materialien sind umweltfreundlich und die Module selbst müssen nicht starr sein, sondern können als semitransparente flexible Folie auf Hausdächern, Fassaden und sogar Fenstern angebracht werden.“

*doi:10.1038/nchem.2026
Junpei Sukegawa, Christina Schubert, Xiaozhang Zhu, Hayato Tsuji, Dirk M. Guldi, Eiichi Nakamura: Electron transfer through rigid organic molecular wires enhanced by electronic and electron-vibration coupling.

Informationen für die Medien:
Prof. Dr. Dirk M. Guldi
Tel.: 09131/85-27340
dirk.guldi@fau.de

Blandina Mangelkramer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Klimafolgenforschung in Hannover: Kleine Pflanzen gegen große Wellen
17.08.2018 | Leibniz Universität Hannover

nachricht Forschende entschlüsseln das Alter feiner Baumwurzeln
17.08.2018 | Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

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: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bionik im Leichtbau

17.08.2018 | Verfahrenstechnologie

Klimafolgenforschung in Hannover: Kleine Pflanzen gegen große Wellen

17.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

HAWK-Ingenieurinnen und -Ingenieure entwickeln die leichteste 9to-LKW-Achse ihrer Art

17.08.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics