Graphen bietet neue Funktionen für elektronische Nanogeräte

Der Forschungsbereich der molekularen Nanoelektronik zielt darauf ab, einzelne Moleküle als «Bausteine» für elektronische Geräte zu nutzen, deren Funktionen zu verbessern und die Entwicklung möglichst kleiner und dennoch kontrollierbarer Geräte zu ermöglichen.

Das Haupthindernis, das bisher konkrete Fortschritte erschwerte, bestand in der fehlenden stabilen Verbindung zwischen den Molekülen und den verwendeten Metallen bei Raumtemperatur. Graphen, das oft als «Wundermittel» bezeichnet wird, besitzt nicht nur eine hervorragende mechanische Stabilität, sondern auch eine ausserordentlich hohe elektronische und thermische Leitfähigkeit, womit das zweidimensionale Material für eine Vielzahl möglicher Anwendungen in molekularer Elektronik attraktiv ist.

Ein Forschungsteam der Universität Bern, des National Physical Laboratory (NPL) und der University of the Basque Country (UPV/EHU, Spanien), unterstützt von Forschenden der Chuo University (Japan), hat es nun einen Durchbruch geschafft: Sie konnten eine auch bei Raumtemperatur stabile Verbindung zwischen Graphen und einzelnen Molekülen demonstrieren.

Dies war mit den bisher standardmässig verwendeten Metallen nicht möglich und stellt daher einen wichtigen Schritt im Hinblick auf die Entwicklung von graphenbasierten elektronischen Geräten dar. Die Resultate wurden nun im Journal Science Advances publiziert.

Einzelne Moleküle verbinden

Die Anlagerung spezifischer Moleküle auf graphenbasierten elektronischen Geräten erlaubt es, die Gerätefunktionen anzupassen, hauptsächlich indem der elektrische Widerstand verändert wird. Einen Zusammenhang zwischen allgemeinen Geräteigenschaften und den Eigenschaften einzelner angelagerter Moleküle herzustellen, ist jedoch schwierig. Dies kommt daher, dass der elektrische Widerstand an der Graphenoberfläche nicht überall gleich gross ist und der Durchschnittswert diese Unterschiede nicht wiedergibt.

Dr. Alexander Rudnev and Dr. Veerabhadrarao Kaliginedi vom Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern massen daher den elektrischen Strom, der durch einzelne angelagerte Moleküle floss. Sie verwendeten dazu eine einzigartige, sogenannte rauscharme Technik, die es ihnen erlaubte, von Molekül zu Molekül separate Werte zu messen. Ausgehend von den theoretischen Berechnungen von Dr. Ivan Rungger (NPL) and Dr. Andrea Droghetti (UPV/EHU), konnten sie so zeigen, dass der chemische Kontakt eines Moleküls zur Graphen-Schicht die Funktionsweise von solchen elektronischen Geräten vorgibt.

Markanter Umbruch erwartet

«Unsere Einzel-Molekül-Dioden zeigen, dass die Vorzugsrichtung von elektrischem Strom tatsächlich geändert werden kann, indem man den chemischen Kontakt der einzelnen Moleküle verändert», sagt Alexander Rudnev. «Mit der sorgfältigen Herstellung der jeweiligen chemischen Verbindungen von Molekülen und graphenbasierten Materialien können wir die Funktionalität der Nano-Elektrogeräte steuern», ergänzt Ivan Rungger.

«Unsere Resultate stellen einen grossen Fortschritt für die praktische Anwendung von elektronischen Nanogeräten dar. Wir erwarten, dass unsere Technik des stabilen chemischen Kontakts einen markanten Umbruch im Forschungsbereich auslösen wird», fasst Veerabhadrarao Kaliginedi zusammen. Die Ergebnisse zu den Graphen-Molekül-Schnittstellen sollen Forschenden auch bei der Arbeit mit Energieumwandlung helfen, und allgemein die Effizienz von elektronischen Nanogeräten steigern.

Publikationsangaben:
Alexander V. Rudnev, Veerabhadrarao Kaliginedi, Andrea Droghetti, Hiroaki Ozawa, Akiyoshi Kuzume, Masa-aki Haga, Peter Broekmann, Ivan Rungger: Stable anchoring chemistry for room temperature charge transport through graphite-molecule contacts, Science Advances, 9. Juni 2017, in press.

Kontakt:
Dr. Alexander Rudnev
Departement für Chemie und Biochemie, Universität Bern
Tel: +41 31 631 42 54
Email: alexander.rudnev@dcb.unibe.ch