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Seminarvortrag, 19.11.2009:
Was ist molekulare Elektronik?Lukas | Ferdinand
19.11.2009 2Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
1. Historischer Abriss und Grenzen konventioneller Elektronik
2. Definition „Molekulare Elektronik“
3. Bauteile3.1 Elektrische molekulare Drähte3.2 Molekulare Schalter3.3 Molekulare Speicher
4. OLED – organic light-emitting diode
5. Schlussbetrachtung
6. Quellen
Gliederung
19.11.2009 3Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Harwell Computer 1949 in England entworfen, von 1951 bis 1973 in Dienst
Stand der Technik, 2009
19.11.2009 4Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Moore'sches Gesetz (1965 )„...dass sich die Zahl der Transistoren pro Quadratzentimeter Silicium jedes Jahr verdoppelte“
Heute: Verdoppelung der Rechenleistung alle 18 Monate Tr
ansi
sto
rzah
l/cm
²
• Weitere Miniaturisierung der Schaltkreise stößt mit den herkömmlichen (Lithographischen)Verfahren an ihre Grenzen fundamentale Grenze
Ie n
19.11.2009 5Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Notwendigkeit eines kompletten Umdenkens bei der Auswahl der Materialien
Neuer Ansatz: Molekulare Elektronik
19.11.2009 6Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Molekulare Elektronik ist der Versuch die konventionelle Elektronik durch eine Elektronik zu erweitern, die mitMolekülen und molekularen Funktionseinheiten arbeitet.
Definition: Molekulare Elektronik
d.h. Moleküle übernehmen eien aktive Rolle beim Verarbeiten, Weiterleiten und Speichern von Informationen.
19.11.2009 7Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
19.11.2009 8Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Funktionsprinzip/Bsp.:
Analog dem „konventionellen“ Draht:
• Transport elektrischer Ladung• Verbindung der einzelnen Bauteile untereinander• elektronische Eigenschaften bestimmt durch π-Delokalisierung
19.11.2009 9Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
•Polyene
•Polythiophene•Polypyrrole
Mögliche Drähte:Prinzipiell große Moleküle mit konjugierten Doppelbindungen
→ Ladungstransport über größere Distanzen von einen Mülekülende zum anderen möglich
19.11.2009 10Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
•Polyene
•Polythiophene
•Polypyrrole
Mögliche Drähte:Prinzipiell große Moleküle mit konjugierten Doppelbindungen
→ Ladungstransport über größere Distanzen von einen Mülekülende zum anderen möglich
19.11.2009 11Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
•Polyene•Polythiophene
•Polypyrrole
Mögliche Drähte:Prinzipiell große Moleküle mit konjugierten Doppelbindungen
→ Ladungstransport über größere Distanzen von einen Mülekülende zum anderen möglich
19.11.2009 12Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Wie fließt Strom durch ein Molekül?
Mechanismus des Ladungstransports:
2 grundlegende Mechanismen: a) Tunnel-Mechanismusb) Hopping-Mechanismus
abhängig von: • angelegter Spannung• Lage HOMO/LUMO-Niveaus der MOs des Drahtes im Gegensatz zu der Fermi-Energie der Metallelektroden
19.11.2009 13Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Tunnel-Mechanismus:
→ Kriterium: Wie liegen die HOMOs und LUMOs des Moleküls im Vergleich zur EF des Elektrodenmetalls
• Wenn das Fermi-Niveau für beide Elektroden isoenergetisch mit einem MO des Brückenmoleküls ist (für Elektronen das LUMO)
• Anzahl der aktiven Kanäle ist so groß wie Anzahl der MO's, die mit der Fermi-Energie in Resonanz treten
19.11.2009 14Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Hopping-Mechanismus:• gleicht normalem Draht • Leitfähigkeit gehorcht dem Ohmschen Gesetz
oben: Hüpftransport durch die Brücke, Geschwindigkeit weniger abstandsabhängig
Unten: Die Ladungsträger tunneln ohne eine Lokalisierung auf der Brücke. Die Geschwindigkeitist abstandsabhängig.
19.11.2009 15Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Nanotubes:
• können als lange molekulare Drähte aufgefasst werden• durch Ändern des Aufrollwinkels kann man Metalle oder Halbleiter aus demselben Material herstellen
19.11.2009 16Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Insgesamt:• Lage der HOMO/LUMO-Niveaus(Draht) relativ zur Fermi-Energie (Elektrode)
•Energieunterschied bestimmt Mechanismus der Transmission von Elektronen durch den Draht
•Lage der Niveaus ist abhängig von der Vorspannung
Wichtig:Durch den Kontakt mit den Elektroden wird das Molekül unweigerlich gestört man misst immer eine Kombination aus Elektroden- und Moleküleigenschaften
19.11.2009 17Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Messung der Leitfähigkeit:
Wie lässt sich ein Einzelmolekül kontaktieren?Wie lässt sich ein einzelnes Molekül zwischen zwei Kontakten platzieren?
Problem: einfache Spannungsmessungen durch Verbinden von 2 Elektroden mit einem molekularen Draht nur schwer zu realisieren
19.11.2009 18Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
Drei Beispielmethoden:1. Messung via Bruchkontakt2. Chemischer Nachweis3. Lichtinduzierte Ladungstrennung
Beispiel der aktuellen Forschung
Messung der Leitfähigkeit:
19.11.2009 19Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
1. Leitfähigkeitsmessung via Bruchkontakt
Goldkontakt als Elektrode:
• zu unersuchendes Molekül wird mit Thiolgruppeversehen
• Bei Kontakt mit Au-Oberfläche Anordnung der Moleküle als SAM (self assembling monolayer)
kovalente Bindung zwischen S und Au
19.11.2009 20Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
2. Chemischer Nachweis:
Einbau des Moleküls in eine zum Vesikelgeformte Membran aus Phospholipiden
Nachweis eines Elektronentransfers durch Reduktion von internem Hexacyanoferrat(III) zu Hexacyanoferrat (II)
19.11.2009 21Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
3. lichtinduzierte Ladungstrennung:
aus einem Donor wird ein Elektron freigesetzt
Elektron gelangt über den Draht zum Akzeptor
Nachweis erfolgt durch Messung des Dipolmoments während der Ladungstrennung
19.11.2009 22Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
aktuelle Forschung: Leif Lafferentz, Leonhard Grill (FU Berlin)
Auf einer Au-Oberfläche werden einzelne Moleküle zu einer konjugierten Polymerkette verknüpft
Aufbau so, dass Kette durch Seitengruppen angehoben wird
→ Kontakt mit Spitze eines Rastertunnelmikroskops→ Spitze wird hochgezogen und so Drahtlänge variiert
Durch Anlegen einer Spannung wird Ladungstransfer gemessen (bis 20 nm Länge)
19.11.2009 23Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.1 Elektrische molekulare Drähte
aktuelle Forschung:
Ergebnis:
exponentieller Abfall des elektrischen Leitwerts mit der effektiven Drahtlänge
19.11.2009 24Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.2 Molekulare Schalter
Symbolhafte Darstellung eines Schaltkontakts
19.11.2009 25Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Definition: Als molekulare Schalter bezeichnet man Moleküle, die auf einen externen Stimulus hin reversibel zwischen zwei oder mehreren Zuständen wechseln können (einfacher Fall: „AN“, „AUS“)
Allgemeine Vorüberlegungen zu einem Schalter:
3.2 Molekulare Schalter
• Bistabilität (wichtig: keine spontane Zustandsänderung)
• Eindeutig adressierbar, d.h. räumlich feste Position
•Dient als Brücke zum Energie- oder Elektronentransfer, übernimmt keine eigene Funktion (,gibt Informationen weiter).
19.11.2009 26Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Chemische Voraussetzungen für molekulare Schalter:
• Chemische Stabilität
• Unkontrollierter Elektronen- und Energieaustausch darf nicht stattfinden
• Steuerung von Makroebene mit Mikroebene muss möglich sein
• Prozess des Schaltens muss vielfach wiederholbar sein
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 27Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Der Vorgang des Schaltens:
Jedes System ist als Schalter befähigt, das durch einen Mechanismus oder Phänomen reversibel zwischen mindestens zwei Zuständen geändert werden kann.
Säure-Base-Rkt.RedoxreaktionenphotochemischthermischQuanteneffekte
Photoschalter, Redoxschalter, pH-Schalter, Konformationsschalter, etc.
3.2 Molekulare Schalter
uc
19.11.2009 28Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Nutzung von Photochromie:
• lichtinduzierte reversible Umwandlung zweier Stoffe ineinander unter...• ...Änderungen des Absorptionsspektrum und physikalischer Eigenschaften• Registrierung per UV/Vis-Spektroskopie
Photoschalter:
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 29Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Familien photochromer organischer Moleküle:
a) Fulgide
b) Diarylethene
c) Azofarbstoffe
3.2 Molekulare Schalter
H vo
19.11.2009 30Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Fulgide (lat. fulgere, fulgeo, fulsi – glänzen, leuchten)
Erste Fulgide Anfang des 20. Jhd. von H. Stobbe synthetisiert
Beispiel: Isopropyl–Thiophenfulgid (T-iF)(PhotochromieValenzisomerie)
C-Form: („coulored“, „closed“) absorbiert im sichtbaren Bereich aufgrund des ausgedehnten π-Elektronensystems
E-Form: (offen) erscheint farblos, Thiophenring ist gegen Fulgidringverdreht
„Verfärben“ „Ausbleichen“
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 31Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Vorteil von Fulgiden: •Photochromie bleibt auch in fester Matrix, z.B. Plexiglas (PMMA: Polymethylmethacrylat), gelöst befinden. • Reaktionszeit im Pikosekundenbereich(10⁻¹²s)
Absorptionsspektrum von Isopropyl–Thiophenfulgid (T-iF) in PMMA gelöst
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 32Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Energietransfer:
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 33Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 34Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Elektronentransfer:
Bsp: Diarylethen
Geschlossenes π-Elektronensystems
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 35Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Rotaxane als molekularer Schalter:
Aufbau: Benzidin Biphenol
„Andockstellen“Mehrfachgeladenes Cyclophankation(„Cyclophanshuttle“)
Triisopropylsilyl(„Stopper“)
3.2 Molekulare Schalter
19.11.2009 36Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Mechanismus des Schaltens:
Weißes Stabsegment ≡ Biphenol
Graues Stabsegment ≡ Benzidin
Treibende Kraft: elektrostatisch Abstoßung
3.2 Molekulare Schalter
Bei 229K zu 84% über Benzidinsegment
19.11.2009 37Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 38Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Grundlagen zu Speichern:
•Bauelement, das eigene Funktion übernimmt (vgl. Schalter)
• Voraussetzungen: - Unterscheidbare stabile Zustände, - Speicher müssen beschrieben und gelesen werden können - Funktionseinheit sollte hohe Speicherdichte erreichen, d.h. viele unterscheidbare Informationen auf engem Raum
• Chemische Umsetzung: LadungsspeicherungKonformationsänderungPlatzwechselprozesseEtc.
• Daten werden „Bit-weise“ gespeichert
3.3 Molekulare Speicher
Zu
19.11.2009 39Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Zustände werden definiert: wahr falsch 1 0 AN AUS auf zu
Bit: Binärziffer (0 oder 1, „AN“ oder „AUS“), Maßeinheit für digitale Datenmenge
Sechs: 110
Sieben: 111
Acht: 1000
Neun: 1001
Zehn: 1010
Null: 0
Eins: 1
Zwei: 10
Drei: 11
Vier: 100
Fünf: 101
Binärsystem:
3.3 Molekulare Speicher
²
19.11.2009 40Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Bauelement:Matrix aus C-Nanotubes
ElektrodeC-Nanoröhren
Isolator (SiO₂)
Kreuzpunkt („AN“)
Kreuzpunkt („AUS“)
Träger (an- oder organisches Material )
3.3 Molekulare Speicher
C-Nanotubes:
19.11.2009 41Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Herstellung: Vorlegen der RöhrenAufdampfen der Elektroden
Theoretische Vorüberlegungen/Rechnungen:
• Zwei sich in räumlicher Nähe befindliche C-Nanoröhren besitzen zwei Energieminima (Erkenntnis aus Quantenmechanischen Rechnungen)
Entsprechen den Zuständen AUS getrenntAN in Kontakt
• 10¹² Bauelemente/cm² • Schaltzeit 10⁻¹¹ s, entspricht Arbeitsfrequenz von 100 GHz
Rechnungen konnten im Experiment untermauert werden
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 42Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Schematische Darstellung eines molekularen C-Nanoröhren-Speichers
Speicher beschreiben:
AN → AUS: Spannungspulse gegensätzlicher Polung
AUS → AN: Spannungspulse gleicher Polung
Speicher lesen:
WiderstandsmessungΩ(AUS) ≈ 5Ω(AN)
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 43Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Rotaxane als logische Einheiten:
XOR – Gate („entweder oder“- Gatter)
Wahrheitstabelle für XOR-Operationen
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 44Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Funktionsprinzip eines Rotaxan basierten Systems zur Ausführung logischer Operationen:
14: π-Elektronenakzeptor (2,7-Dibenzyldiazapyrenium-dikation)
15: π-Elektronendonor(Kronenether mit zwei 2,3-Dioxynaphthalineinheiten)
14 und 15 zeigen starke Fluoreszenzsignale bei λmax =432nm bzw. 343nm
Frifluormethan-sulfonsäure
3.3 Molekulare Speicher
Tributylamin
,
19.11.2009 45Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Schritt 1: Dissoziation des Komplexes durch Zugabe von Trifluormethansulfonsäure(→Fluoreszenz von 15∙H⁺ und 14, nahezu identisch zu 15 und 14)
Start
Start: 14 und 15 können Charge Transfer-Komplex 14∙15 bilden(→Fluoreszenzlöschung)
Schritt 2: Neutralisieren mit Tributylamin („B“), Bildung des CT-Komplexes (→Fluoreszenzlöschung)
3.3 Molekulare Speicher
Schritt 1
19.11.2009 46Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Start
Start: 14 und 15 können Charge Transfer-Komplex 14∙15 bilden(→Fluoreszenzlöschung)
Schritt 1`: Dissoziation des Komplexes durch Zugabe von Tributylamin („B“),Bildung von 14∙B₂(→Fluoreszenz von 14∙B₂ bei λmax =670nm und 15)
Schritt 2`: Neutralisieren mit Trifluormethansulfonsäure, Bildung des CT-Komplexes (→Fluoreszenzlöschung)
3.3 Molekulare Speicher
Schritt 1´
19.11.2009 47Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Zurück zum XOR- Gate:
Wahrheitstabelle für XOR-Operationen
Definition: Bedingung 1: Vorliegen von 14 und 15 und H⁺Bedingung 2: Vorliegen von 14 und 15 und BErgebnis: Fluoreszenz
d.h. Ist entweder Bedingung 1 oder Bedingung 2 erfüllt, ist das Ergebnis wahr (System fluoresziert) Sind beide oder keine Bedingungen erfüllt, ist das Ergebnis falsch (Fluoreszenzlöschung)
CT-Komplex
CT-Komplex plus Säure und Base
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 48Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Optisches Speichern: Lochrennen
Absorptionslinien: isoliertes Molekül häufig scharfe LinienMolekül in fester Matrix, i.A. breite Banden
Grund: Moleküle in fester Matrix sehen eine Vielzahl unterschiedlicher lokaler Umgebungen→ Verschiebung der Energieniveaus um individuelle Beiträge (Solvatochromie)
Ergebnis: Überlagertes Spektrum
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 49Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Prinzip des Lochbrennens:
vorher
nachher
Porphin: Photoisomerisierung nur bei tieferen Temperaturen
Informationsspeicherung durch viele Löcher nebeneinander
Loch: 1Kein Loch: 0
Z.B. Fulgide
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 50Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Herausforderung: Alterung und Strahlenschädigung (Stabile Speicher)Reversibilität von Speichern
Technologische Möglichkeiten:
Speicherdichten von bis zu 10¹⁴ Bit/cm²
3.3 Molekulare Speicher
19.11.2009 51Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
4. OLED – organiclight-emitting diode
19.11.2009 52Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
4. OLED – organic light-emitting diode
Aufbau:
- Kathode (Ca-, Al-, Mg-Legierung)- Anode (ITO: 90% In2O3, 10% SnO2)- org. Polymerschicht- transparentes Substrat (Glas, Plastik)
19.11.2009 53Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
4. OLED – organic light-emitting diode
Prinzip der Elektrolumineszenz:
→ d.h. Lichtemission von Materialien durch Anlegen eines E-Feldes
Anlegen eines Feldes
→ Elektronen & Löcher wandern aufeinander zu→ Bildung von sog. Excitonen, d.h. nach außen ungeladene Elektron-Loch-Paare→ angeregte Excitonen gehen unter Lichtemission in Grundzustand über
19.11.2009 54Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
4. OLED – organic light-emitting diode
Vorteile:
selbstleuchtend → keine Hintergrundbeleuchtunggeringer Stromverbrauch extrem dünn und leicht (ohne Trägermaterial 1/200 der Haardicke!)biegsam
Vision der leuchtenden Tapete, die ihre Farbe ändert und gleichzeitig als Bildschirm dient
19.11.2009 55Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
4. OLED – organic light-emitting diode
Ende
19.11.2009 56Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
5. Schlussbetrachtung
Molekulare Elektronik:
• Junge Disziplin• Bereits große Fortschritte erzielt• Interdisziplinäres Feld• Vielversprechende Möglichkeiten• Revolutionierung bestehender Technologien
Eine mögliche Anwendung ist ein schönes, aber noch fernes Ziel
Ende
19.11.2009 57Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
6. Quellen
Haken, Wolf: Molekülphysik und Quantenchemie, 5. Auflage, 2006
R. Lloyd Carroll und Christopher B. Gorman: Molekulare Elektronik, Angew. Chem. 2002, 114, 4556 ± 4579
Brauchle, Christoph: Spektrales Lochbrennen bei Raumtemperatur und mit einem Einzelmolekül – zwei neue Perspektiven, Angew. Chem. 104 (1992) Nr. 4
Bauer, P.: Synthese und Charakterisierung von Donor-Brücke-Akzeptor-Molekülen und photoschaltbarenSystemen für Energie- und Elektronentransferuntersuchungen, Dissertation, Bayreuth, Mai 2009
Wesley R. Browne and Ben L. Feringa: Light Switching of Molecules on Surfaces, Annu. Rev. Phys. Chem. 2009
M.-Victoria Martinez-Diaz, Neil Spencer und J. Fraser Stoddart: Selbstaufbau eines schaltbaren [2]Rotaxans, Angew. Chem. 1997, 109, Nr. 17
Anslyn, E.V.; Dougherty,D.A.: Modern Physical Organic Chemistry, illustrated edition 2005
Schwoerer, M., Wolf, H. C.: Organische Molekulare Halbleiter (Wiley-VHC, Weinheim 2005)
Atkins, P.W.: Physikalische Chemie, 3. Aufl. (VCH Verlags-GmbH, Weinheim 2002)
Ende
19.11.2009 58Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?
Ende
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
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