Elke Scheer

Moleküle für elektronische Anwendungen
Um die benötigte Leistung gering zu halten, sollen stromdurchflossene Bauele-
mente einen geringen elektrischen Widerstand besitzen. Dieses Kriterium erfüllen
molekulare Kontakte eigentlich nicht. Dies liegt an der Wellennatur der Elektro-
nen. Keine Welle kann durch einen unendlich schmalen Schlitz übertragen werden,
sondern benötigt Querschnitte, die mindestens ihrer halben Wellenlänge entspre-
chen, um ohne Dämpfung übertragen zu werden. Bekannt ist dies aus der Optik,
wo das Phänomen zu Beugungseffekten und auch zu interessanten Anwendungen
wie Wellenleitern führt. Bei Elektronenwellen ist das genauso: Die Wellenlänge
eines Metallelektrons liegt im Bereich eines halben Nanometers und damit in der
gleichen Größenordnung wie der Atomdurchmesser. Die Quantenmechanik be-
sagt, dass jede Elektronenwelle mit einem minimalen Widerstand bzw. maximalen
Leitwert zum Transport beiträgt. Dieser maximale Leitwert beträgt G = 2e2/h =
77.6 /iS = (12.9 kQ)-1. [3, 4] G nennt man das Leitwertquantum, e ist die Ladung
eines Elektrons, h das Plancksche Wirkungsquantum, das signalisiert, dass hier ein
quantenmechanischer Effekt vorliegt. Bei Molekülen ist es ähnlich. Eine Molekül,
das eine Elektronenwelle überträgt, kann bestenfalls einen Widerstand von 12.9 kQ
haben, im Allgemeinen hat es jedoch einen noch höheren Widerstand, da die Welle
zumeist nicht perfekt übertragen wird. Diese Dämpfung ist eine Folge der nicht
perfekten Passung der Welleneigenschaften der Metallelektroden mit denen des
Moleküls. Moleküle ähneln elektronisch eher Halbleitern, bei denen Elektronen
eine Energielücke übeiwinden müssen, um einen Strom tragen zu können. Eine
Herausforderung besteht also darin, eine geeignete Molekül-Metallkombination
zu finden, bei denen der Widerstand nicht zu hoch wird und mit denen trotzdem
interessante Funktionen, zum Beispiel reproduzierbares Schalten zwischen zwei
Zuständen, erreicht werden können [3],
Optisch schaltbare Moleküle
Mögliche Anwendungen von Einzelmolekülkontakten sind Schalter- und Spei-
cherelemente. In der digitalen Mikroelektronik werden Transistoren als Schalter
veiwendet. Ein Transistor ist ein Three-Terminal-Device, also ein elektronisches
Bauelement mit drei Zuleitungen mit den Namen Source (Quelle), Drain (Senke)
und Gate (Gatter): Der Strom von Source nach Drain wird durch eine Spannung
am Gate ein- und ausgeschaltet. In einem Speicherbaustein wird durch solch einen
Schalter der Zugang zu einem Kondensator, der als Speicher dient, freigeschaltet:
bei geeigneter Beschaltung wird der Kondensator dann aufgeladen oder entladen.
Das bildet den Write (Schreib)-Prozess einer minimalen digitalen Informations-
einheit, also eines Bits. Wenn der Kondensator geladen ist, entspricht dies der In-
formation „1“, wenn er leer ist, der „0“. Auch zum Auslesen der Information muss
man den Schalter öffnen und dabei sicherstellen, dass der Ladungszustand sich

97