Wie klein können sie werden?

Polymere können der Schlüssel zu elektronischen Einzelmolekülbauteilen sein.

30.05.2019 - Japan

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology und der University of Tsukuba zeigen, dass Polymere eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von elektronischen Einzelmolekülen spielen könnten, so dass wir die Grenzen der Nanoelektronik-Revolution verschieben können.

Einer der auffälligsten Aspekte der elektronischen Geräte, die wir heute haben, ist ihre Größe und die Größe ihrer Komponenten. Die Grenzen der Kleinheit eines elektronischen Bauteils zu verschieben, ist eines der Hauptthemen der weltweiten Forschung auf dem Gebiet der Elektronik, und das aus guten Gründen. So könnte beispielsweise die genaue Manipulation unglaublich kleiner Ströme mit Hilfe der Nanoelektronik es uns ermöglichen, nicht nur die aktuellen Einschränkungen der Elektronik zu verbessern, sondern ihnen auch neue Funktionalitäten zu verleihen.

Wie weit reicht also der Kaninchenbau im Bereich der Miniaturisierung? Ein Forschungsteam unter der Leitung von Tomoaki Nishino, Associate Professor of the School of Science am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), erforscht die Tiefen dieses Themas, d.h. sie arbeiten an Einzelmolekülbauteilen. "Es wird erwartet, dass die ultimative Miniaturisierung durch die molekulare Elektronik realisiert wird, bei der ein einzelnes Molekül als Funktionselement verwendet wird", erklärt Nishino.

Wie zu erwarten ist, ist es jedoch keine leichte Aufgabe, elektronische Komponenten aus einem einzigen Molekül herzustellen. Funktionelle Vorrichtungen, die aus einem einzigen Molekül bestehen, sind schwer herzustellen. Darüber hinaus haben die Knotenpunkte (elektrische Berührungspunkte), an denen sie beteiligt sind, kurze Standzeiten, was ihre Anwendung erschwert. Basierend auf früheren Arbeiten schloss das Forschungsteam, dass eine lange Kette von Monomeren (Einzelmolekülen) zu Polymeren bessere Ergebnisse liefern würde als kleinere Moleküle. Um diese Idee zu demonstrieren, verwendeten sie eine Technik namens Rastertunnelmikroskopie (STM), bei der eine metallische Spitze, die in einem einzigen Atom endet, verwendet wird, um extrem kleine Ströme und deren Schwankungen zu messen, die auftreten, wenn die Spitze eine Verbindung mit einem Atom oder Atomen an der Zieloberfläche herstellt. Durch STM schuf das Team Verbindungen, die sich aus der Spitze und entweder einem Polymer namens Poly(vinylpyridin) oder seinem monomeren Gegenstück, dem 4,4'-Trimethylendipyridin, zusammensetzen, das als eine der Komponenten des Polymers angesehen werden kann. Durch die Messung der leitfähigen Eigenschaften dieser Verbindungen wollten die Forscher beweisen, dass Polymere für die Herstellung von Einzelmolekülbauteilen nützlich sein könnten.

Um ihre Analysen durchführen zu können, musste das Team jedoch zunächst einen Algorithmus entwickeln, der es ihnen ermöglichte, für sie interessante Größen aus den vom STM gemessenen Stromsignalen zu extrahieren. Kurz gesagt, ihr Algorithmus erlaubte es ihnen, automatisch kleine Plateaus im Stromsignal zu erkennen und zu zählen, das im Laufe der Zeit von der Spitze und der Zieloberfläche gemessen wurde; die Plateaus zeigten an, dass ein stabiler leitender Übergang zwischen der Spitze und einem einzelnen Molekül auf der Oberfläche geschaffen wurde.

Mit diesem Ansatz analysierte das Forschungsteam die Ergebnisse für die mit dem Polymer und seinem monomeren Gegenstück erzeugten Verbindungen. Sie fanden heraus, dass das Polymer als elektronisches Bauteil wesentlich bessere Eigenschaften aufweist als das Monomer. "Die Wahrscheinlichkeit der Verbindungsbildung, eine der wichtigsten Eigenschaften für zukünftige praktische Anwendungen, war für die Polymerverbindung viel höher", sagt Nishino. Darüber hinaus wurden die Lebensdauern dieser Verbindungen als höher eingestuft, und der Strom, der durch die Polymerverbindungen fließt, war stabiler und vorhersehbarer (mit geringerer Abweichung) als bei den monomeren Verbindungen.

Die vom Forschungsteam vorgestellten Ergebnisse zeigen das Potenzial von Polymeren als Bausteine für die zukünftige Miniaturisierung der Elektronik. Sind sie der Schlüssel, um die Grenzen der erreichbaren physischen Grenzen zu überschreiten? Hoffentlich wird es die Zeit bald zeigen.

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