uni ulm intern Nr.: 240   Oktober 2000


Nanoröhren stapelweise
Selbstorganisierende Bauelemente einer »molekularen Elektronik«

»Molekularelektronik« ist der elektrisierende Begriff, hinter dem die Idee steckt, eine Elektronik zu verwirklichen, deren Bauteile Moleküle sind. Die Vorteile liegen auf der Hand: durch die molekularen Dimensionen im Nanometer- bzw. Subnanometerbereich, aus anorganischen Halbleiterkristallen bei weitem nicht mehr realisierbar, könnte man die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente um mehrere Größenordnungen vorantreiben. Wenn es gelänge, einen dreidimensionalen Chip Schicht für Schicht aus organischen Molekülen zu synthetisieren, erhielte man gleichzeitig immens hohe Speicherdichten und phänomenal kurze Rechenzeiten. Und die mögliche Vielfalt an molekularen Strukturen mit neuen Eigenschaften weckt Hoffnungen auf die Entwicklung (molekular)elektronischer Bauelemente mit neuen Funktionen.

Obwohl in jüngster Zeit z.B. der Informationstransport auf molekularer Ebene über »molekulare Drähte« oder »Schalter« sowie erste molekulare logische Operatoren (AND- und OR-Gates) auf Basis von Funktionsmolekülen demonstriert werden konnten, sind wir von der Realisierung eines »Molekül-Computers« allerdings noch weit entfernt. Er würde zunächst eine über die Moleküle hinausgehende Architektur mit gezielter Ansteuerung der einzelnen Moleküle erfordern, ferner deren Ankopplung an die makroskopische Welt der konventionellen Halbleiter-Elektronik. Eine noch größere Herausforderung ist in der selektiven Adressierung von einzelnen Funktionsmolekülen im organisierten Ensemble zu sehen. Eine Lösung könnte z.B. in der Kontaktierung einzelner Moleküle durch die Rastertunnelmikroskop-Technik (STM) bestehen. Für einschlägige Forschungsarbeiten hat vor kurzem Dr. Elena Mena-Osteritz aus der Abteilung Organische Chemie II (Leiter Prof. Dr. Peter Bäuerle) auf der International Conference on Synthetic Metals 2000 (ICSM 2000) den Advanced Materials Innovation Price erhalten. Unter rund 1000 Bewerbern wurde ihr Beitrag mit dem Titel »Selbstorganisation von Oligo-, Poly- und Cyclothiophenen« auf den ersten Platz gesetzt.

Molekulare Drähte

Mit der Synthese und Charakterisierung von solchen linearen konjugierten Kettenmolekülen aus der Klasse der Oligo- und Polythiophene, besonders interessanter »Molekularcomputer-Kandidaten«, beschäftigt sich ein Forscherteam in der Bäuerle-Abteilung schon längere Zeit. Seine erste Aufgabe bestand darin, den »molekularen Drähten« Ordnung beizubringen. Prinzipiell kann das Ordnen von Molekülen in Aggregaten nach dem Vorbild der Natur durch Ausnutzung von Selbstorganisations-Effekten erfolgen. Es wurden deshalb eine Vielzahl von strukturell definierten und zum Ladungstransport geeigneten Oligomeren als Modellverbindungen synthetisiert, die speziell dafür modifiziert sind, daß sie in einfach anwendbaren Verfahren unter Selbstorganisation auf einer Substrat-Oberfläche chemi- oder physisorbieren. Fragen der Molekül/Molekül- und Molekül/Substrat-Wechselwirkungen sowie der Schicht-Herstellung und -Architektur stehen dabei im Vordergrund. Zur Untersuchung derartiger Prozesse in extrem dünnen - meist monomolekularen - Schichten bietet sich die relativ neue Methode der Rastertunnelmikroskopie an: eine extrem fein ausgezogene metallische Spitze, die im Idealfall am Ende nur noch aus einem Atom besteht, rastert über die auf einer Oberfläche anhaftenden (adsorbierten) Moleküle hinweg, so daß die »molekularen Drähte« aufgrund eines Stroms, der von der Spitze durch das Molekül zur leitfähigen Oberfläche (meist Graphit) oder - je nach Polung - umgekehrt fließt, topologisch abgebildet werden können.

Abb.1 Lineare konjugierte Kettenmoleküle aus der Klasse der Oligo- und Polythiophene sind interessante "Molekularcomputer-Kandidaten" (Monoschicht aus strukturell definierten linearen Oligothiophenen in rastertunnelmikroskopischer (STM-)Abbildung).

Abb2. Selbstorganisation "molekularer Drähte" (Polythiophen in molekular aufgelöster STM-Abbildung; erkennbar sind lineare Polymerketten sowie Faltungen). 

Um mit Hilfe dieser Technik zu untersuchen, wie die Moleküle der Ketten miteinander und mit der Oberfläche wechselwirken, wie die molekularen Schichten aufgebaut sind und wie sich dieser Aufbau vollzieht, fertigten die Forscher spezielle, zunächst relativ einfach aufgebaute synthetische Moleküle an, die im Experiment sehr leicht dazu gebracht werden können, an Oberflächen anzuhaften. Durch diese STM-Experimente ist inzwischen klar geworden, wie diese Oligothiophene substituiert sein müssen, damit die zwischenmolekularen Kräfte die »molekularen Drähte« in eine bestimmte Anordnung auf einer Oberfläche dirigieren (Abb. 1). Motiviert durch die herausragenden Selbstorganisations-Eigenschaften der Oligothiophene gelang es dann die analog modifizierten, viel längerkettigen Polythiophene mit dem STM abzubilden. In submolekularer Auflösung konnte man erstmals »sehen«, daß sich diese bis zu 40 nm langen, linearen »molekularen Drähte« über eine Fläche von mehr als 1x1 mm2 lamellenartig anordnen und sogar Faltungen enthalten, ohne daß die Ordnung gestört wird. Gestützt durch theoretische Rechnungen und Simulationen, kann man die Länge der Polymerfäden »ausmessen«, den Abstand zwischen den Ketten bestimmen und sogar ablesen, wie sich der Aufbau vom zweidimensionalen Kristall in die dritte Dimension vollzieht (Abb. 2).

Moleküle schalten

Nachdem im Rahmen dieser STM-Untersuchungen erstmals Biegungen, Faltungen und Halbkreise von molekularen Drähten offensichtlich waren, drängte sich die herausfordernde Frage auf, ob die Herstellung von konjugierten (makro-)zyklischen Oligothiophenen als Modellen für »molekulare Schaltkreise« möglich ist. Die Synthese dieser nicht nur ästetischen schönen Substanzen gelang nach langen Vorarbeiten vor einigen Monaten in der Abteilung von Prof. Bäuerle. Die Strukturen der einzelnen Makrozyklen umfassen bis zu 76 Ringglieder und Hohlräume von mehreren Nanometern. Erste Charakterisierungen der physikalischen Eigenschaften deuten schon an, daß elektronisch gesehen aufgrund der ringförmigen Symmetrie ganz besondere Verhältnisse vorliegen müssen.

Abb.3. Oligothiophene in hexagonaler Anordnung

Die dreidimensionale Anordnung der Makrozyklen im Kristall, die in Zusammenarbeit mit Prof. Tony Debaerdemaeker (Sektion Röntgen- und Elektronenbeugung) bestimmt wurde, war eine weitere Überraschung: die Moleküle stapeln sich, so daß höchst interessante Nanoröhren entstehen. Auch auf einer Graphit-Oberfläche bilden die neuen zyklischen Oligomere über große Bereiche spontan geordnete zweidimensionale Kristalle mit einem perfekten hexagonalen Muster (Abb. 3, 4). STM-Bilder mit submolekularer Auflösung lassen nun nicht nur die Bestimmung vieler molekularer Parameter zu, sondern eröffnen auch eine aufregende neue Perspektive bezüglich der »Molekularelektronik«: durch Variation der Spannung zwischen Tunnelspitze und der Substrat-Oberfläche lassen sich verschiedene elektronische Zustände eines einzelnen Moleküls ansteuern und reversibel »schalten«.
Die mit dem Innovationspreis ausgezeichnete Arbeit von Dr. Mena-Osteritz über das Selbstorganisationsverhalten von konjugierten Oligomeren, Polymeren und Makrozyklen, zeigt erste Lösungsmöglichkeiten für die eingangs geschilderte Problematik, wie man die Ankopplung von »molekularelektronischen« Bauelementen an Oberflächen, deren weitreichende Ordnung in Ensembles und deren Adressierung erreichen und »sichtbar« machen kann. Starkes Interesse an Mena-Osteritz' prämiierten Arbeiten bekundete bereits der Halbleiter-Produzent Infineon. Denn langsam stößt die herkömmliche, auf Lithographie basierende Mikroelektronik in Hinsicht auf die laterale Auflösung an ihre Grenzen.
 

 
 

Abb.4. Oligothiophen submolekular aufgelöst