Steuerung der Molekularelektronik mit starren, leiterartigen Molekülen

Da elektronische Geräte immer kleiner werden, bremsen physische Größenbeschränkungen den Trend, die Transistordichte auf Silizium-basierten Mikrochips laut Moores Gesetz etwa alle zwei Jahre zu verdoppeln. Molekulare Elektronik – die Verwendung einzelner Moleküle als Bausteine ​​für elektronische Komponenten – bietet einen möglichen Weg für die weitere Miniaturisierung kleiner elektronischer Geräte. Geräte, die molekulare Elektronik nutzen, erfordern eine präzise Kontrolle des elektrischen Stromflusses.

Die dynamische Natur dieser einzelnen Molekülkomponenten beeinträchtigt jedoch die Geräteleistung und beeinträchtigt die Reproduzierbarkeit.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign berichten über eine einzigartige Strategie zur Steuerung der molekularen Leitfähigkeit durch die Verwendung von Molekülen mit starren Grundgerüsten – wie Leitermolekülen, die als formbeständig bekannt sind. Darüber hinaus haben sie eine einfache „Eintopf“-Methode zur Synthese solcher Moleküle demonstriert. Die Prinzipien wurden dann auf die Synthese eines schmetterlingsähnlichen Moleküls angewendet, was die Allgemeingültigkeit der Strategie zur Steuerung der molekularen Leitfähigkeit zeigt.

Diese neue Forschunggeleitet von Charles Schroeder, dem James Economy Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Professor für chemische und biomolekulare Technik, zusammen mit dem Postdoc Xiaolin Liu und dem Doktoranden Hao Yang, erscheint in der Zeitschrift Naturchemie.

„Im Bereich der molekularen Elektronik muss man die Flexibilität und Bewegung der Moleküle berücksichtigen und wie sich diese auf die funktionellen Eigenschaften auswirken“, sagt Schroeder. „Und es hat sich herausgestellt, dass dies eine bedeutende Rolle bei den elektronischen Eigenschaften von Molekülen spielt. Um diese Herausforderung zu meistern und eine konstante Leitfähigkeit unabhängig von der Konformation zu erreichen, bestand unsere Lösung darin, Moleküle mit starren Grundgerüsten herzustellen.“

Eine der größten Herausforderungen für die molekulare Elektronik besteht darin, dass viele organische Moleküle flexibel sind und mehrere Molekülkonformationen aufweisen – die Anordnung der Atome ist auf Bindungsrotation zurückzuführen – wobei jede Konformation potenziell eine andere elektrische Leitfähigkeit zur Folge hat.

Liu erläutert: „Bei einem Molekül mit mehreren Konformationen ist die Leitfähigkeitsschwankung sehr groß und kann manchmal 1.000-mal unterschiedlich sein. Wir entschieden uns für Leitermoleküle, die ihre Form behalten und einen stabilen Satz starrer Konformationen aufweisen, sodass wir eine stabile und robuste Leitfähigkeit der molekularen Verbindungen erreichen können.“

Leiterförmige Moleküle sind eine Klasse von Molekülen, die eine ununterbrochene Folge chemischer Ringe mit mindestens zwei gemeinsamen Atomen zwischen den Ringen enthalten, was das Molekül in einer bestimmten Konformation „festlegt“. Eine solche Struktur sorgt für Formbeständigkeit und schränkt die Rotationsbewegung des Moleküls ein, was auch Leitfähigkeitsschwankungen minimiert.

Eine gleichbleibende Leitfähigkeit ist besonders wichtig, wenn das Endziel der Molekularelektronik der Einsatz in einem funktionsfähigen Gerät ist. Das bedeutet, dass Milliarden von Komponenten die gleichen elektronischen Eigenschaften haben müssen.

„Die Leitfähigkeitsschwankungen sind eines der Probleme, die die erfolgreiche Kommerzialisierung molekularer elektronischer Geräte verhindert haben. Es ist sehr schwierig, die große Anzahl identischer Komponenten herzustellen, die erforderlich sind, und die molekulare Leitfähigkeit in einzelnen Molekülverbindungen zu steuern“, erklärt Yang. „Wenn wir dies präzise tun können, kann dies die Kommerzialisierung vorantreiben und elektronische Geräte sehr klein machen.“

Um die molekulare Leitfähigkeit formbeständiger Moleküle zu steuern, verwendete das Team eine einzigartige Eintopf-Strategie zur Leitersynthese, die chemisch vielfältige, geladene Leitermoleküle erzeugte. Herkömmliche Synthesemethoden verwenden teure Ausgangsstoffe und sind in der Regel Zweikomponentenreaktionen, was die Vielfalt der Produkte begrenzt. Bei der Eintopf-Mehrkomponentenstrategie, auch modulare Synthese genannt, sind die Ausgangsstoffe viel einfacher und im Handel erhältlich.

„Wir können viele verschiedene Kombinationen dieser Ausgangsmaterialien verwenden und eine große Vielfalt an Produktmolekülen herstellen, die für die Molekularelektronik geeignet sind“, sagt Liu.

Darüber hinaus wendeten Liu und Yang die Regeln an, die sie bei Leitermolekülen gelernt hatten, und demonstrierten die breite Anwendbarkeit der Formbeständigkeit, indem sie ein schmetterlingsähnliches Molekül entwarfen, synthetisierten und die elektronischen Eigenschaften charakterisierten. Diese Moleküle haben zwei „Flügel“ aus chemischen Ringen, und wie Leitermoleküle zeichnen sich Schmetterlingsmoleküle durch eine verriegelte Rückgratstruktur und eingeschränkte Rotation aus. Dies wird den Weg für die Entwicklung anderer Funktionsmaterialien und letztlich für zuverlässigere und effizientere Geräte ebnen.