Leitfähigkeit DOI: 10.1002/ange.201204516 Kçnnen wir das Molekül in der molekularen Elektronik verstehen? Steven L. Bernasek* Ladungsübertragung · Leitfähige Materialien · Mole- kulare Elektronik · Monoschichten · Selbstorganisation Das Konzept der molekularen Elektronik ist gewiss at- traktiv. [1, 2] Weil die Strukturen in anorganischen Halbleiter- schaltkreisen immer weiter verkleinert werden, ist es verlo- ckend, diesen Vorstoß bis auf die begrenzende Komponen- tengrçße – das einzelne Molekül – zu extrapolieren. Das Ziel der molekularen Elektronik, einzelne Moleküle als Bauele- mente in einem integrierten Schaltkreis einzusetzen, ist aus mindestens zwei Gründen reizvoll. Der erste bereits ange- führte Grund ist die ultimativ geringe Grçße eines moleku- laren Schaltelements. Der zweite besteht in der enormen Auswahl an Mçglichkeiten für ihre Synthese, welche den Einsatz von organischen Molekülen als elektronische Kom- ponenten nahelegt. Die Fähigkeit, Moleküle mit speziellen geometrischen und elektronischen Strukturen zu gestalten, sollte eine Abstimmung der Eigenschaften von entsprechend konzipierten Schaltelementen ermçglichen. Diese Abstim- mung würde eine sehr viel umfassendere Kontrolle der Schaltkreiseigenschaften und der Geräteapplikationen ge- statten, während man beim Konzipieren der Funktionsein- heiten zur äußersten Grenze der Strukturgrçße vorstçßt. Natürlich unterscheidet sich die Theorie fast immer von der Praxis. Will man nur einen einzigen bedeutsamen Bereich für die Bestimmung der relevanten Eigenschaften von orga- nischen Molekülen als elektronische Bauelemente heraus- greifen, so ist vielleicht der Metall/Molekül/Metall-Kontakt der interessanteste und am meisten untersuchte. [3] So sollte man in der Lage sein, die Komponenten reproduzierbar und zuverlässig zu verdrahten; in diesem Bereich wäre als Erstes zu zeigen, dass das Vorhaben realisierbar ist, die Eigen- schaften von Funktionseinheiten synthetisch einzustellen. Viele Untersuchungen haben sich mit dieser speziellen Frage beschäftigt, doch es besteht bisher kein Einverständnis dar- über, ob die intrinsischen Eigenschaften des Moleküls (strukturelle Konformation, Länge, HOMO-LUMO-Ab- stand, Ausrichtung zum Fermi-Niveau usw.) tatsächlich die Geschwindigkeit des Ladungstransports durch einen solchen Kontakt steuern. Diese mangelnde Übereinstimmung ist vielleicht nicht allzu überraschend angesichts der Schwierigkeit, die Eigen- schaft (Leitfähigkeit) des Metall/Molekül/Metall-Kontakts tatsächlich zu messen. Um diese Messung vorzunehmen, wurden zwei allgemeine Methoden entwickelt. [2] Bei der ersten versucht man, verlässliche Messungen an einzelnen Molekülen vorzunehmen, die in geeigneter Weise an sehr kleinen Metallelektroden befestigt sind. Die Befestigung er- folgt gewçhnlich über eine kovalente Bindung des Moleküls zur Metallelektrode; die Bindung über Thiol- oder Amin- gruppen an Edelmetalle gehçrt hier zu den gängigen Me- thoden. Verwendbar sind mechanische Bruchkontakte, zu deren Erzeugung ein Nanodraht in Gegenwart einer Lçsung des in den Kontakt einzuführenden Moleküls mechanisch auseinandergerissen wird. Während die gebrochenen Drähte aufeinander zu bewegt werden, überbrücken ein Molekül oder ein paar Moleküle die Lücke, und es kçnnen Strom- Spannungs-Messungen über die Kontaktstelle hinweg erfol- gen. [4] Eine weitere Methode setzt die Elektromigration ein, um einen lithographisch abgeschiedenen Draht in Gegenwart der entsprechenden Moleküle so dünn zu machen, bis sich an der Bruchstelle ein Kontakt bildet, in dem sich wiederum ein Molekül oder wenige Moleküle befinden, deren Leitfähigkeit gemessen werden kann. [5] Das andere allgemeine Verfahren beruht darauf, die Selbstorganisation von organischen Mole- külen auf festen Oberflächen auszunutzen und einen Metall/ Molekül/Metall-Kontakt mithilfe des Substrats als eine Elektrode in der Kontaktgeometrie aufzubauen (Abbil- dung 1). [6] Zu den Methoden, die andere Elektrode anzufü- gen, gehçrten die Gasphasenabscheidung des oberen Leiters (die häufig zu Kurzschlüssen an Fehlstellen der Monoschicht führt), der Einsatz einer Rastertunnelmikroskop-Spitze als Abbildung 1. Schaltbild des Metall/Molekül/Metall-Kontakts bei der SAM-Methode. Wiedergabe mit Genehmigung von Lit. [6]; Copyright American Chemical Society. [*] Prof. S. L. Bernasek Department of Chemistry, Princeton University Princeton, NJ 08544 (USA) E-Mail: sberna@princeton.edu . Angewandte Highlights 2  2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2012, 124,2–5 Ü Ü These are not the final page numbers!