Verfahren zur Verbindung einzelner Moleküle

Angetrieben von ständig kleiner werdenden elektronischen Bauteilen wie Transistoren, hat sich die elektronische Technologie in den vergangenen Jahrzehnten rasant entwickelt. Die neuesten Fortschritte in der Molekularelektronik lösen verlockende Aussichten für die weitere Miniaturisierung bis hin zur Nanoskala aus.

Die Nachfrage nach immer besseren, schnelleren und kleineren elektronischen Geräten hat zur Weiterentwicklung der Elektronik zur Mikroelektronik geführt. Dabei kommen integrierte Schaltkreise zum Einsatz, bei denen auf wenigen Quadratzentimtern Millionen von Transistoren untergebracht sind. Die Gesetze der Quantenmechanik erlangen jedoch bei immer geringerem Platzangebot eine immer größere Bedeutung und haben Auswirkungen auf die Einschränkung bei der Materialauswahl und den Herstellungsmethoden. Die Gefahr der Überhitzung und von Überschneidungen zwischen den einzelnen elektronischen Komponenten haben zu einer festen Mindestgröße von Halbleitertransistoren geführt.

Die Mikroelektronik hat sich mittlerweile zur Nanoelektronik weiterentwickelt. Dabei entstanden Geräte, deren Konstruktion die quantenmechanischen Effekte auf der Nanometerskala zu ihrem Vorteil nutzen. In dieser Richtung liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Verwendung organischer Materialien, die dieselben Funktionen wie herkömmliche Halbleiter erfüllen. Im Prinzip fungieren kovalent verbundene Moleküle als Verbindungsdrähte, durch die die Elektronen problemlos von einem Ende zum anderen fließen können. Der Elektronenfluss ist in hohem Maße abhängig von der Art der Moleküle, ihrer Geometrie und deren Orbital-Anordnung.

In einem Molekül ist jedes Orbital ein einzelnes, eigenständiges Energieniveau für die Elektronen, die dazu neigen, sich von höheren zu niedrigeren Energieniveus zu bewegen. Ein normaler leerer, niederenergetischer Elektronen-Orbital wird auch als Pi-Orbital bezeichnet. Die Konfiguration, bei der die Elektronen von einer Molekül-Komponente zur einer anderen übergehen, heißt konjugiert und der letzte Moleküldraht wird oft als Pi-konjugiertes System bezeichnet.

Im Rahmen des NANOTCAD-Projekts sind die aus einzelnen Phenylen-basierten Molekülen bestehenden zweipoligen winzigen Geräte die kleinsten Pi-konjugierten Gerätekomponenten. Diese werden unter Verwendung von zwei verschiedenen Stromübergangsmethoden hergestellt. Bei der ersten Methode wird der Übergang der Moleküle zwischen den zwei Drähten kreuzgeometrisch hergestellt, während bei der zweiten die Moleküle durch kontrollierte Elektromigration in Nanogaps platziert werden. Bei beiden Methoden werden Gold/Palladium-Nanodrähte als wesentliche Bestandteile verwendet, die in einheitlichen Drähten mit festgelegten Abmessungen und einer sauberen Oberfläche resultieren. In den entstehenden molekularen Geräten sind die von den Molekülen überbrückten Lücken zwischen den zwei Metallelektroden bei beiden Methoden kleiner als 1 Nanometer (1nm).

Da die Galvanotechnik-Methode mit verschiedenen Arten mono- und bifunktioneller Moleküle arbeitet, besitzt sie bedeutendes Potential für weitere damit verbundenen Anwendungen, z.B. auf Crossbar-Struktur basierte Speicherfelder.