Molekularer Kippschalter

  • 13. March 2017

Gesamtes elektromechanisches Modul misst einen Nanometer.

Die Nanotech­nologie macht immer neue Miniatur­rekorde möglich. Doch der Verkleinerung elek­tronischer Bauteile sind physi­kalische Grenzen gesetzt, die bald erreicht sein werden. Neuartige Materialien und Bau­elemente sind gefragt. Hier setzt die molekulare Elektronik an. Wissen­schaftlern des Karlsruher Instituts für Techno­logie KIT ist es jetzt gelungen, einen molekularen Kipp­schalter zu entwickeln, der nicht nur in der gewählten Position verbleibt, sondern den man auch beliebig oft umlegen kann.

Abb.: Der molekulare Kontakt kann sowohl mechanisch als auch elektrostatisch an- und ausgeschaltet werden. (Künstl. Illu.: KIT)

Abb.: Der molekulare Kontakt kann sowohl mechanisch als auch elektrostatisch an- und ausgeschaltet werden. (Künstl. Illu.: KIT)

Indem herkömm­liche silizium­basierte Bauteile wie hier ein Schalter durch einzelne Moleküle ersetzt werden, könne man zukünftig elek­tronische Schalt­kreise konstruieren, die sich mehr als hundert­fach enger auf einen Chip integrieren lassen, sagt Lukas Gerhard vom Institut für Nano­technologie. Das Grund­gerüst des elektro­mechanischen Molekül­schalters besteht aus nur wenigen Kohlen­stoffatomen. Drei Schwefelatome bilden die Füße, die auf einer glatten Goldober­fläche fixiert sind. Der Kipphebel endet in einer Nitril­gruppe mit einem Stickstoff­atom. Umgelegt wird er, indem eine Spannung angelegt wird und durch das resultierende elektrische Feld eine Kraft auf die Ladung des Stickstoff­atoms ausgeübt wird. Dadurch wird Kontakt zu einer zweiten Elektrode – hier der Gold­spitze eines Raster­tunnel­mikroskops – hergestellt.

Der gesamte Schalter misst gerade mal einen Nano­meter. Zum Vergleich: Allein die kleinsten in der Halbleiter­technik verwendeten Strukturen haben eine Größe von zehn Nanometern. „Die mole­kulare Elek­tronik wäre also ein sehr großer Fortschritt“, sagt Gerhard. Bemerkens­wert ist indes nicht nur die Größe des Schalters, sondern vor allem, dass er zuverlässig und vorher­sehbar arbeitet. Das heißt, eine Betätigung führt immer eindeutig zu einem Schalt­zustand, der Kontakt ist also entweder offen oder geschlossen. Bislang scheiterte die Umsetzung dieses Prinzips oft daran, dass die elektrische Kontak­tierung einzelner Moleküle nur unzu­reichend kontrol­lierbar war. Den KIT-Forschern ist es jetzt erstmalig geglückt, einen solchen Kontakt zwischen Molekül und Goldspitze elektrisch und mechanisch beliebig oft zu öffnen und zu schließen, ohne dass plastische Verfor­mungen auftraten.

Der Fortschritt in der synthe­tischen Chemie habe zwar dazu geführt, dass eine große Vielfalt von unter­schiedlichen molekularen Bau­steinen in milliarden­facher, Atom für Atom iden­tischer Ausfer­tigung bereit­gestellt werden könne, so Gerhard. „Um sie aber miteinander verschalten zu können, muss man sie so schonend berühren können, dass sie dabei nicht beschädigt werden.“ Darin, dass eine so schonende Verfahrens­weise nun erstmals gelungen sei, sieht er die entschei­dende Neuerung.

KIT / JOL

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