Molekulare Elektronik: Erstmals Moleküle in Halbleiterstrukturen elektrisch kontaktiert

Ein neues Verfahren ermöglicht das elektrische Kontaktieren einfacher Moleküle auf einem konventionellen Silizium-Chip. Das Verfahren verspricht Fortschritte in der Sensor- und Medizintechnik.

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Als Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie versucht die molekulare Elektronik, Bauelemente für Schaltkreise aus einzelnen Molekülen anstatt aus Silizium herzustellen. Denn Moleküle zeichnen sich durch besondere elektrische Eigenschaften aus, die sich mit herkömmlicher siliziumbasierten Schaltkreisen nicht oder nur umständlich realisieren lassen.

Doch es gibt ein Problem: Das Herstellen einer Verbindung zwischen herkömmlicher Hardware und molekularen Strukturen ist alles andere als trivial. Gefragt sind zuverlässige und kostengünstige Methoden, mit denen an den Enden von Molekülen elektrische Kontakte angelegt werden können.

Tausende Bauelemente mit Metall-Molekül-Metall-Verbindungen gleichzeitig herstellbar

Forscher der Universität Basel und von IBM Research – Zurich haben ein Verfahren entwickelt, dass einen elektrischen Kontakt zu einzelnen Moleküle herstellt. Tausende von stabilen Metall-Molekül-Metall-Bauelementen lassen sich damit gleichzeitig produzieren, indem ein Film von Nanopartikeln auf die Moleküle deponiert wird. Laut IBM Research sollen die Moleküle dabei keinen Schaden nehmen, so dass ihre Eigenschaften erhalten bleiben. Für ihren Ansatz verwenden die Forscher Alkandithiol-Verbindungen aus Kohlen-, Wasserstoff und Schwefel.

Die Wissenschaftler verwendeten dabei eine Art Sandwichbauweise: In der Mitte befindet sich eine Schicht Moleküle, die von oben und von unten von metallischen Elektroden kontaktiert wird. Die untere Elektrode besteht aus einer Schicht Platin, auf die eine elektrische Isolationsschicht aufgetragen wird. In diese Schicht werden winzige Poren geätzt, sodass ein beliebiges Muster von unterschiedlich großen Kompartimenten entsteht, in denen ein elektrischer Kontakt zur Platin-Elektrode besteht.

Selbstorganisierende Molekülschichten

Bei diesem Verfahren machen sich die Forscher die Fähigkeit bestimmter Moleküle zunutze, sich eigenständig anzuordnen. Auf das Vertiefungsraster gaben sie eine Flüssigkeit mit Alkandithiol-Molekülen, die sich selbst zu einem dichtgepackten Film organisieren. In diesem Film sind die einzelnen Teilchen regelmäßig angeordnet und mit der unteren Platin-Elektrode elektrisch verbunden. Der elektrische Kontakt zur Molekülschicht wurde durch eine obere Elektrode aus Gold-Nanopartikeln hergestellt.

Das neue Verfahren soll bisherige Probleme bei der elektrischen Kontaktierung von Molekülen – etwa hohe Kontaktwiderstände oder Kurzschlüsse durch den Film – weitgehend lösen. „Die mit dieser Methode hergestellten Bausteine sind unter Normalbedingungen einsetzbar und langzeitstabil“, sagt Prof. Dr. Marcel Mayor vom Departement Chemie der Universität Basel.

Die Methode ließe sich zudem auf verschiedene molekulare Systeme übertragen und eröffne neue Wege, molekulare Verbindungen in Festkörper zu integrieren. Anwendung finden könnte sie beispielsweise in neuartigen Geräten in der Sensortechnik und der Medizin. „Unser Ansatz wird dazu beitragen, die Entwicklung von chemisch konstruierten und regelbaren elektronischen und sensorischen Bauelementen zu beschleunigen“, ist Mayor überzeugt.

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