Interferenzeffekte in molekularer Elektronik

Molekulare Elektronik ist ein vielversprechendes Gebiet der Nanoelektronik. Der Antragsteller hat in seiner wissenschaftlichen Arbeit zeigen koennen, dass die traditionellen Wege des Designs von Computer-Architekturen für elektronische Schaltkreise wie sie in der Halbleiter-Industrie verwendet werden auf den Maßstab einzelner Moleküle umgesetzt, fundamentale Probleme aufwerfen. Der Grund dafür sind hauptsächlich Quanteninterferenzeffekte, die im Nanomaßstab auftreten. Deshalb werden neue Designkonzepte benötigt, die diese Interferenzeffekte nützen anstatt zu versuchen sie zu umgehen. Das erste Ziel in diesem beantragten Projekt ist es, Kernfragen dieser Interferenzeffekte zu behandeln. Vor allem geht es darum, die Arbeit auf eine realistischere Beschreibung des Elektrode/Molekül/Elektrode Nanosystems als ganzes (im Gegensatz zur frueheren einfachen Modellbildung des Antragsstellers) auszudehnen und dafür Rechnungen auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie zu verwenden. Hierbei werden geometrische und chemische Details der Verbindung zwischen Nitro-Benzol und einer Gold-Oberflaeche behandelt. Die zweite Zielsetzung des Projekts addressiert die Frage, welche energetische Position die Molekülorbitale relativ zur Fermi-Energie des Metalls einnehmen. Das Resultat dieser Positionierung ist entscheidend fuer die Leitfähigkeit der molekularen Brücke unter sehr geringer Spannung und kann diese um eine Größenordnung variieren. Die Positionierung hängt vor allem vom Gleichgewichtsladungstransport zwischen Molekül und Elektrode ab. In diesem Projekt soll untersucht werden, inwieweit sich verschiedene Molekülklassen bezueglich dieses Ladungstransports charakterisieren lassen. In einem ersten Schritt sollen Moleküle mit Pyridil Ankergruppen verglichen werden, vor allem Benzol und Anthrazen mit Poly-Acetylen Ketten. In einem zweiten Schritt soll behandelt werden, welchen Einfluß die Substitution des Aromaten mit Nitro-Gruppen auf die energetische Orbitalpositionierung hat. Dieser hauptsächlich elektrostatische Effekt der zweiten Zielsetzung ergänzt die Arbeit an Interferenzeffekten des ersten Ziels. In einem vereinfachten Bild kann man sagen, daß Interferenzen oder Hybridsierungseffekte die Form der Transmissionsfunktion bestimmen und Gleichgewichtsladungstransport deren energetische Positionierung, Beides zusammen definiert die Leitfähigkeit der molekularen Brücke. Dieser Projektantrag ist eine "Neuplanung" des Förderungsantrags Nr. P19435-N16.

Elektronik mit einzelnen Molekülen wurde ein sehr aktives Feld der Nanoelektronik, da das Mooresche Gesetz, welches einen kontinuierlichen Anstieg der Leistungsfähigkeit digitaler Computer mit deren Miniaturisierung prophezeit, auf Silizium-Basis nicht bis hin zu atomaren Dimensionen aufrechterhalten werden kann. Um das Potential dieses Gebiets auszuschöpfen, müssen realistische Schaltkreis-Konzepte entwickelt werden, bei denen der aktive Part von einem einzelnen Molekül zwischen zwei Metall-Elektroden gebildet wird. Idealerweise möchte man zwei Dinge kombinieren: i) ein Konzept, welches von Theoretikern entwickelt und begründet wird, sollte so einfach sein, daß es von Experimentatoren auch ohne sonderliche Theorie-Kenntnisse angewandt werden kann; ii) es muß aber auch hinreichend verläßlich sein, was bedeutet daß die allgemeine Gültigkeit mit den genauest möglichen Computer-Simulationen bewiesen werden muß. Beide Anforderungen wurden in diesem Projekt erfüllt. Eine graphische Methode wurde entwickelt, die das Auftreten oder Ausbleiben von Quanteninterferenz(QI)- Effekten in Abhängigkeit der molekularen Struktur vorhersagen kann und diese Prognosen wurden von Dichtefunktionaltheorie(DFT)-Rechnungen bestätigt. Damit wurde ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung von Speicherelementen und logischen Schaltkreisen auf der Basis einzelner Moleküle gefunden. Des weiteren wurde auch eine Methode entwickelt, um die Asymmetrie der Kurvenform QI-induzierter Minima in der Elektronen Transmissionsfunktion auf nur zwei Parameter zurückzuführen, welche aus quantenchemischen Rechnungen gewonnen werden können und auch der chemischen Intuition zugänglich sind. Diese Asymmetrie hat ihre Bedeutung für thermoelektrische Anwendungen, wo die Effizienz durch sie definiert ist. Ein substantieller Teil der Forschungsarbeit dieses Projekts wurde auch darin investiert, die Standard DFT Ergebnisse für Moleküle mit schwachler Kopplung zu den Elektroden (im sogenannten Coulomb Blockade Regime) durch den Vergleich mit genaueren quantenchemischen Methoden zu überprüfen.Auch die Rolle der chemischen Anker-Gruppen für die energetische Positionierung der QI-Effekte relativ zur Fermi Energie wurde untersucht. Die in diesem Projekt durchgeführte Forschung ist Teil der Nanoelektronik, welche ein Kerngebiet, der von der Europäischen Union im "Information Society Technologies" Programm geförderten Inhalte darstellt. In diesen Bereich wird auch in den USA sowohl von industrieller Seite als auch in Form von Regierungsprogrammen sehr stark investiert. Die möglichen Anwendungen reichen dabei von der Computer-Industrie bis zum medizinischen Sektor, wobei man auch auf nanotechnologische Querverbindungen zwischen diesen beiden Sparten hoffen darf, da Nanoelektronik mit organischen Molekülen auf einem atomaren Maßstab operiert.