Moleküle als Bauteile für die Elektronik

04.09.2007: Auf der Suche nach immer kleineren und effizienteren Computern und anderen elektronischen Geräten greifen die Wissenschaftlern nach neuen Komponenten: Moleküle als Bauteile - Schalter, Speicherelemente, Dioden oder Transistoren - könnten die Elektronik in neue Dimensionen befördern. Hat ein Silizium basierter Transistor derzeit eine Seitenlänge von 90 Nanometern, würde man mit Molekülen Größenordnungen von nur noch wenigen Nanometern erreichen. Für einzelne Moleküle ist das bereits umgesetzt, doch komplexe molekulare Systeme waren bisher nicht realisierbar. Dies könnte sich bald ändern: Wissenschaftlern des IBM Research Laboratory in Zürich und der Universität Regensburg gelang es jetzt, bestimmte Moleküle in einem Rastertunnelmikroskop als Schalter zu benutzen und miteinander zu "verdrahten". Mit im Team: Dr. Jascha Repp, der im März dieses Jahres eine Lichtenberg-Professur an der Uni Regensburg antrat. Finanziert wird die Professur von der VolkswagenStiftung mit rund 1,5 Millionen Euro.

Der Mechanismus der bisher bekannten molekularen Schalter basiert meist auf drastischen mechanischen Verformungen: Die Struktur des Moleküls verändert sich auch nach außen so sehr, dass eine Kopplung mit weiteren Elementen unmöglich wird. Anders bei dem Ansatz von Liljeroth, Repp und Meyer. Sie verwendeten Naphthalocyanin-Moleküle, organische Farbstoffmoleküle, die sich durch zwei Wasserstoffatome im Innern eines ringförmigen Moleküls auszeichnen. Diese Wasserstoffatome konnten die Forscher durch kleinste Stromstöße in ihrer Position verändern. Mit der Positionsverlagerung ging eine Veränderung der Leitfähigkeit des Moleküls einher. Das Besondere daran: Das Umschalten führt zu keinerlei Bewegung an der Peripherie des Moleküls, da die Wasserstoffatome, die für die Schaltstellung entscheidend sind, sich in einem geschützten Hohlraum befinden.

Nun waren die Voraussetzungen für eine Kopplung mehrerer Schalter gegeben. In einem weiteren Experiment zeigten die Physiker den ersten Schritt dazu, indem sie mehrere Moleküle mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops aneinander schoben. Durch Strompulse in ein Molekül konnten sie dann ein benachbartes Molekül schalten - ein erster Schritt auf dem Weg zu komplexeren elektronischen Schaltungen. Der gefundene Mechanismus funktioniert für eine ganze Klasse von ähnlich gebauten Molekülen und bildet damit die Grundlage für eine Reihe von möglichen molekularen Schaltern der Zukunft.

Originalveröffentlichung: Liljeroth, P, Repp, J, Meyer, G: "Current-Induced Hydrogen Tautomerization and Conductance Switching of Naphthalocyanine"; Science 2007, Vol. 317,no.5842, pp.1203-1206.