Molekulare Spintronik für neue Ära spintronischer Bauelemente
Die Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands GMR-Effekt vor fast 30 Jahren war ein wissenschaftlicher Meilenstein, der 2007 den Physik-Nobelpreis erhielt. Seither macht die Forschung enorme Fortschritte und entwickelt basierend auf Ladung und Spin von Elektronen vielfältigste Spintronikelemente. Inzwischen setzt man jedoch statt auf rein anorganische Heterostrukturen auch auf organische Moleküle, die mit ihren vielseitigen Eigenschaften und Funktionen praktisch unbegrenzte Möglichkeiten bieten. Die vielen Materialkombinationen sind eine wichtige Ausgangsbasis für die Grundlagenforschung und das gezielte Design von Molekülstrukturen. Das EU-Programm Künftige und neu entstehende Technologien finanzierte das Projekt COSMICS, um diese Entwicklung voranzutreiben und innovationstechnische Spitzenleistung zu fördern.
Spin-Crossover-Komplexe auf anorganischem Substrat
Spin-Crossover (SCO)-Komplexe sind Moleküle, die in niedrigem wie auch hohem Magnetisierungszustand vorkommen. Projektkoordinator Cyrille Barreteau von der Französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie erklärt: „SCO-Komplexe können durch externe Stimuli wie Licht, Temperatur, Spannung oder Druck von niedrigem Spin bzw. Magnetisierungsgrad auf hohen Spin umgeschaltet werden. Da dieser Übergang auch andere Eigenschaften wie Volumen, optische Eigenschaften oder Leitfähigkeit verändert, lassen sich die Eigenschaften von SCO-Komplexen quasi wie mit einem ‚Regler‘ an ein spezifisches Substrat anpassen.“ Obwohl die Kristallstruktur von SCO-Komplexen schon gut erforscht ist, gilt die Abscheidung der Moleküle auf Substrat und vor allem ihre intrinsische „Schaltbarkeit“ noch als schwierig, sodass auch die Eigenschaften von SCO-Komplexen auf Substrat weitgehend ungeklärt sind.
Neueste Erkenntnisse zu Eigenschaften von SCO-Komplexen
Das multidisziplinäre Konsortium von COSMICS entwickelte modernste Modell- und Experimentiermethoden für den aufstrebenden Forschungsbereich der molekularen Spintronik. „Der hochleistungsfähige ‚Molekül-Builder‘ von COSMICS ist ein wichtiges Werkzeug für die Forschung, da nutzungsfreundliche Analysewerkzeuge schwierige Berechnungen deutlich vereinfachen. Die hocheffiziente Implementierung dieser Werkzeuge ermöglicht die Simulation großer Systeme zu geringen Rechenkosten“, ergänzt Barreteau. Mit diesen Modellwerkzeugen entwickelte COSMICS Simulationen der robustesten SCO-Komplexe und neue Systeme für das kostengünstige Design molekularer Spintronikelemente. Die Abscheidung robuster SCO-Komplexe bot eine völlig neue Möglichkeit, um das Verhalten dieser vielversprechenden, aber noch rätselhaften Moleküle genauer zu erforschen. Experimentelle Methoden und Modelle lieferten detaillierten Aufschluss zum Einfluss von Wechselwirkungen zwischen Molekülen bzw. zwischen Molekülen und Substrat auf den SCO-Schaltmechanismus.
Neue Ära ... Neue Herausforderungen
Überrascht war Barreteau, „als wir in einem unserer SCO-Komplexe entdeckten, dass sich durch das Umschalten mit der Dicke der Molekülschicht auch die elektronischen Eigenschaften des Substrats signifikant verändern lassen. So integrierten wir den SCO-Komplex in ein horizontales SCO/Graphenkonstrukt und demonstrierten damit den bislang schnellsten Elektronentransport in einer Graphenschicht.“ Über den Spinübergang der Deckschicht des SCO-Komplexes kann diese Geschwindigkeit durch Licht und/oder Temperatur reguliert werden. Auf Basis von SCO-Komplexen kann nun erstmals ein lichtgesteuertes Spinstromelement entwickelt werden. „Die Modellwerkzeuge von COSMICS eröffnen neue Möglichkeiten, magnetische Moleküle in elektronische Geräte zu integrieren. Grundlage dessen ist die Spinmanipulation auf Einzelmolekülebene, was wiederum Voraussetzung für das Design neuer Geräte ist“, schließt Barreteau. Damit beflügelt das Projekt wichtige Innovationen im aufstrebenden Forschungsfeld der molekularen Spintronik.
Schlüsselbegriffe
COSMICS, SCO, SCO-Komplex, Modellierung, Graphen, Magnetisierung, magnetische Moleküle, molekulare Spintronik, Magnetowiderstand, GMR, Spin-Crossover, Spin-Übergang, Spinstrom, Schalten
