Elektrochemische Interferenz

Kurzbeschreibung des Forschungsprojekts

Elektronik auf der Basis von einzelnen Molekülen ist eines der aktivsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik geworden, wobei das Ziel in der kontinuierlichen Leistungssteigerung digitaler Geräte liegt und sogar über das untere Limit für die Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie hinausgegangen wird.

Um das Potential, das in diesem Gebiet liegt, realisieren zu können ist zweierlei erforderlich. Zum ersten muss man für die Geräteentwicklung im Nanomaßstab die dort vorherrschenden physikalischen Effekte wie zum Beispiel Quanteninterferenz verstehen und modellieren können, wobei vor kurzem sowohl theoretisch als auch experimentell bewiesen werden konnte, daß die Kirchhoffschen Gesetze, die die Leitfähigkeit zweier parallel geschalteter Drähte bestimmen, ihre Gültigkeit verlieren, wenn diese Drähte Zweige eines Moleküls sind. Zweitens sollte ein Gerät auch bei Raumtemperatur betrieben werden können, um für praktische Anwendungen in Frage zu kommen, wobei kürzlich die Demonstration von Dioden und Transistoreigenschaften beim Elektronentransport durch einzelne organische Moleküle mit einem redoxaktiven Metallzentrum in einer elektrochemischen Zelle gelungen ist.

Verzweigte Moleküle, die ein solches redoxaktives Zentrum in beiden Zweigen beinhalten wurden bisher noch nie in Erwägung gezogen, obwohl solche Strukturen faszinierende neue Möglichkeiten eröffnen könnten, deren Details davon abhängen, in welchem Transportregime der Stromfluss stattfindet. Ist er phasenkohärent, könnten wellenartige Interferenzeffekte durch eine Asymmetrie erzeugt werden, die durch die Verwendung zweier verschiedener Metalle wie Ru und Os in den zwei Zweigen entsteht und dies könnte zusätzliche Flexibilität in der darauf aufbauenden Geräteentwicklung bringen. Im Hoppingregime könnte ein lokaler Gateeffekt erzielt werden, da der Oxidationszustand des einen Metallatoms einen Einfluss auf den Elektronentransport durch das andere hat, was für die Entwicklung chemischer Sensoren verwendet werden könnte.

In diesem Projekt werden beide Möglichkeiten in Form von theoretischen Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie für ein paar ausgewählte Moleküle behandelt, die von experimentellen Partnern am Imperial College London bereits synthetisiert wurden und mit Hilfe eines elektrochemischen STM charakterisiert werden, wobei das Zusammenspiel von Theorie und Experiment für ein atomistisches Verständnis des Elektronentransferprozesses unerlässlich ist.