Mit molekularen Festkörperschaltern das Mooresche Gesetz überwinden
Moleküle besitzen oft einzigartige Eigenschaften, zu denen es bei konventionellen Materialien keine Parallelen gibt, was vielversprechend in Bezug auf neue Bauelemente mit neuartigen Funktionen ist, die mit den entsprechenden Festkörperbauelementen nicht realisiert werden können. Molekulare Schalter an der Oberfläche sind ein attraktives Beispiel, wobei verschiedene Umweltreize diese auslösen können, indem beispielsweise ihre Ladezustände manipuliert werden. Redoxaktive Moleküle sind verlockende Kandidaten für molekulare Schalter. Doch obgleich die Schaltfähigkeit in Lösung gezeigt wurde, müssen sie in einem festen Träger immobilisiert werden, um in Richtung Bauelemente weiterzukommen. Das EU-finanzierte Projekt ELECTROMAGIC (Multifunctional surfaces structured with electroactive and magnetic molecules for electronic and spintronic devices) sollte diese Aufgabe durch Synthese molekularer Festkörperschalter durch Herstellung von selbstorganisierenden Monoschichten (Self-Assembly Monolayer, SAM) bewältigen. Durch Synthetisieren von selbstorganisierenden Monoschichten auf Basis endohedraler Metallofullerenmoleküle (EMF) auf einem Goldsubstrat gelang den Wissenschaftlern das elektrische Auslösen des magnetischen Oberflächenverhaltens durch Änderung des Redoxzustands. Zudem funktionalisierte das Team eine Goldoberfläche mit zwei verschiedenen Tetrathiafulvalenmolekülen, womit die Möglichkeit zur Steuerung ihrer Benetzbarkeit demonstriert werden konnte. Darüber hinaus modulierte man die Oberflächenenergie durch Austausch der Gegenionen, um die Ladung der oxidierten selbstorganisierenden Monoschichten zu stabilisieren. Auch Redoxzustände können als Speicherbits agieren. Eine größere Anzahl von Zuständen bedeutet eine höhere Speicherkapazität der auf diese Art hergestellten molekularen Schalters. Dabei könnten neu synthetisierte selbstorganisierende Monoschichten auf Basis zweier elektroaktiver Moleküle als multimolekulare Schalter dienen. Nachfolgend setzten die Wissenschaftler ihre Arbeit an der Konzipierung eines komplexeren Systems fort, um die Moleküle auf bestimmten Bereichen der Oberfläche einzugrenzen. Ziel ist die Bereitstellung eines Machbarkeitsnachweises unter Einsatz von Nanopartikeln, die Bindungen mit den Molekülen an der Oberfläche eingehen könnten. Das System kann in Mikrofluidikchips Anwendung finden, welche die Erkennung in den Kanälen, Sensoren für geladene Biomoleküle oder kontrolliertes Wachstum geladener Polyelektrolyten lenken. Das Projektteam stellte überdies Schlüsselerkenntnisse zum Einsatz von organischen Radikalen in der molekularen Spintronik zu Verfügung. Nach der Herstellung von selbstorganisierenden Monoschichten auf Grundlage organischer Radikale bestätigten die experimentellen Resultate die Rolle, welche Radikale beim Ladungstransport über die molekularen Verbindungsstellen zwischen den Radikalen und Elektroden hinweg spielen. Die Fähigkeit zur effizienten Steuerung der Moleküleigenschaften in jedem beliebigen Redoxzustand eröffnet die Möglichkeit funktionaler molekularer Bauelemente, die als Schalter, Speicher oder Sensoren agieren können.
Schlüsselbegriffe
molekulare Festkörperschalter, Molekularelektronik, Redoxzustandsänderungen, molekulare Spintronik, Informationsspeicherung
