Nanoelektronik: Eine Frage der Länge
Die Grenze zwischen groß und klein ist eine unbestimmte - hängt es doch sehr von den Maßstäben ab, die man setzt. Zwischen winzig und noch winziger scheint es allerdings etwas zu geben, das einen Übergang markiert. Denn wie kurz oder lang ein Kabel aus Molekülen ist, entscheidet darüber, auf welche Weise sich die Ladungsträger in ihm fortbewegen.
Überall in unserem Alltag begleiten uns inzwischen elektrische Verkabelungen: ob Leitungen im Zentimetermaßstab, in denen der Fluss von unzähligen Elektronen die Energie für Licht, Musik oder Fernsehen liefert, oder die kleineren Varianten in elektronischen Geräten wie etwa Computern. Hier finden sich mitunter Drähte, deren Durchmesser im Mikrometerbereich liegt – also in der Größenordnung eines menschlichen Haares und darunter. Die Leiterbahnen sind auf Silizium gedampft, und ihrer Miniaturisierung setzen technische Gründe leider Grenzen.
Dennoch stoßen die Forscher auch hier bereits in den zweistelligen Nanometerbereich vor. Ein Ausweg bietet die so genannte molekulare Elektronik. Darin sollen die winzigen Bauteile durch Drähte aus Molekülketten – weniger als ein Milliardstel Meter im Durchmesser – verbunden werden. Im Allgemeinen leiten organische Moleküle oder Polymere aber keinen elektrischen Strom. Erst wenn sie nach einem bestimmten Rezept sehr regelmäßig aufgebaut sind, gelingt dies. So transportiert beispielsweise das Molekül von Beta-Karotin Elektronen über einige Nanometer hinweg.
In unserer makroskopischen Welt steigt der elektrische Widerstand eines Metalldrahtes linear mit seiner Länge. Theorie und Experiment deuten aber darauf hin, dass sich diese Größe für Moleküle mit Längen von wenigen Nanometern anders verhält. Der Widerstand eines zwischen zwei Elektroden eingespannten Moleküls nimmt in diesem Bereich exponentiell mit der Länge zu. Diesen plötzlichen Wandel führen Wissenschaftler auf die jeweilige Methode zurück, mit welcher sich die Elektronen in den Nanodrähten fortbewegen.
In längeren Molekülketten hüpfen die Elektronen von einem Atom zum nächsten – bewegen sich also auf herkömmliche Weise fort. Ab einer Länge von nur wenigen Nanometern wandern die Ladungsträger hingegen mit Hilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts – jenem Prozess, der etwa für den radioaktiven Alphazerfall oder die Kernfusion und damit die Energieproduktion der Sonne verantwortlich ist. Er lässt Elektronen Potenzialbarrieren überwinden, die ihnen klassisch versagt blieben, und sorgt in diesem Fall dafür, dass sie sich von einem zum nächsten Atom bewegen.
Auch wenn der Verhaltenswechsel des elektrischen Widerstands schon zuvor experimentell gezeigt werden konnte, gab es bisher keine systematische Untersuchung der Leitfähigkeit bei verschiedenen Drahtlängen. Denn die Miniaturdrähte zu handhaben, ist selbst mit Hightech-Geräten ziemlich knifflig. Forscher um Daniel Frisbie von der University of Minnesota in Minneapolis haben sich aber eben auf diese komplizierte Aufgabe spezialisiert. Für ihr Experiment nutzen sie Moleküle mit so genannten konjugierten Bindungssystemen, die aus aromatischen Ringen, Einzel- und Doppelbindungen bestanden.
Sie erzeugten insgesamt zehn Drähte mit Längen von ein bis sieben Nanometern, spannten diese jeweils zwischen zwei Elektroden und untersuchten mit Hilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops deren Leitfähigkeit. Bei rund vier Nanometern setzte ein abrupter Wechsel in der Längen- und Temperaturabhängigkeit des Widerstands ein. Ab dieser Länge ändert sich demnach der Transportmechanismus – genau wie von der Theorie vorhergesagt.
Zudem änderten Frisbie und seine Kollegen die Architektur der Molekülketten geringfügig, indem sie eine Atomgruppe hinzufügten, und beobachten die Auswirkungen auf den Widerstand. Auch hier zeigte sich ein deutlicher Unterschied in den Reaktionen der Hüpf- und Tunnelbereiche – ein weiteres Indiz für einen Wechsel in der Fortbewegungsart jenseits der Grenze zwischen winzig und noch winziger.
Dennoch stoßen die Forscher auch hier bereits in den zweistelligen Nanometerbereich vor. Ein Ausweg bietet die so genannte molekulare Elektronik. Darin sollen die winzigen Bauteile durch Drähte aus Molekülketten – weniger als ein Milliardstel Meter im Durchmesser – verbunden werden. Im Allgemeinen leiten organische Moleküle oder Polymere aber keinen elektrischen Strom. Erst wenn sie nach einem bestimmten Rezept sehr regelmäßig aufgebaut sind, gelingt dies. So transportiert beispielsweise das Molekül von Beta-Karotin Elektronen über einige Nanometer hinweg.
In unserer makroskopischen Welt steigt der elektrische Widerstand eines Metalldrahtes linear mit seiner Länge. Theorie und Experiment deuten aber darauf hin, dass sich diese Größe für Moleküle mit Längen von wenigen Nanometern anders verhält. Der Widerstand eines zwischen zwei Elektroden eingespannten Moleküls nimmt in diesem Bereich exponentiell mit der Länge zu. Diesen plötzlichen Wandel führen Wissenschaftler auf die jeweilige Methode zurück, mit welcher sich die Elektronen in den Nanodrähten fortbewegen.
In längeren Molekülketten hüpfen die Elektronen von einem Atom zum nächsten – bewegen sich also auf herkömmliche Weise fort. Ab einer Länge von nur wenigen Nanometern wandern die Ladungsträger hingegen mit Hilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts – jenem Prozess, der etwa für den radioaktiven Alphazerfall oder die Kernfusion und damit die Energieproduktion der Sonne verantwortlich ist. Er lässt Elektronen Potenzialbarrieren überwinden, die ihnen klassisch versagt blieben, und sorgt in diesem Fall dafür, dass sie sich von einem zum nächsten Atom bewegen.
Auch wenn der Verhaltenswechsel des elektrischen Widerstands schon zuvor experimentell gezeigt werden konnte, gab es bisher keine systematische Untersuchung der Leitfähigkeit bei verschiedenen Drahtlängen. Denn die Miniaturdrähte zu handhaben, ist selbst mit Hightech-Geräten ziemlich knifflig. Forscher um Daniel Frisbie von der University of Minnesota in Minneapolis haben sich aber eben auf diese komplizierte Aufgabe spezialisiert. Für ihr Experiment nutzen sie Moleküle mit so genannten konjugierten Bindungssystemen, die aus aromatischen Ringen, Einzel- und Doppelbindungen bestanden.
Sie erzeugten insgesamt zehn Drähte mit Längen von ein bis sieben Nanometern, spannten diese jeweils zwischen zwei Elektroden und untersuchten mit Hilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops deren Leitfähigkeit. Bei rund vier Nanometern setzte ein abrupter Wechsel in der Längen- und Temperaturabhängigkeit des Widerstands ein. Ab dieser Länge ändert sich demnach der Transportmechanismus – genau wie von der Theorie vorhergesagt.
Zudem änderten Frisbie und seine Kollegen die Architektur der Molekülketten geringfügig, indem sie eine Atomgruppe hinzufügten, und beobachten die Auswirkungen auf den Widerstand. Auch hier zeigte sich ein deutlicher Unterschied in den Reaktionen der Hüpf- und Tunnelbereiche – ein weiteres Indiz für einen Wechsel in der Fortbewegungsart jenseits der Grenze zwischen winzig und noch winziger.
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