Bessere Solarzellen und schnellere Mini-Computer

Elektronische Kommunikation im Nanobereich: verschieden lange molekulare Drähte als Brücke zwischen zwei Molekülen. Als Elektronendonor (l) fungiert Zinkporphyrin, als Elektronenakzeptor (r) Fulle. (Bild: D. M. Guldi)

Elektronische Kommunikation im Nanobereich: verschieden lange molekulare Drähte als Brücke zwischen zwei Molekülen. Als Elektronen­donor (l.) fungiert Zink­porphyrin, als Elektronen­akzeptor (r.) Fulle. (Bild: D. M. Guldi)

Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg sind der Vision elektronischer Bauteile im Nanobereich ein wichtiges Stück näher gekommen. Sie haben nachgewiesen, dass Elektronen über starre molekulare Drähte viel schneller transportiert werden können als über flexible. Gemeinsam mit japanischen Partnern arbeiten die Forscher an effektiveren und günsti­geren Solar­zellen sowie an winzigen und höchst leistungs­starken elektro­nischen Bauteilen.

Kaum haben wir uns daran gewöhnt, dass selbst leistungsfähige Computer­­chips mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind, dringen Wissen­­schaftler in noch kleinere Dimensionen vor: die Nano­­elektronik. Ziel der aktuellen Forschungen ist es, einzelne Moleküle als elektro­nische Bauteile zu verwenden, um Daten logisch zu verknüpfen, zu speichern und zu verarbeiten. Damit solche Bauteile miteinander inter­agieren können, müssen sie auf der Nanoebene verknüpft werden – durch molekulare Drähte.

„Wir sind dabei, ein grundlegendes Verständnis für den Transport von Elektronen durch molekulare Drähte zu gewinnen“, sagt Dirk Guldi vom Lehrstuhl für Physika­lische Chemie I der FAU. „Elektrischen Strom durch nano­skalige Drähte zu leiten, hat sich als probates Hilfs­mittel erwiesen, das Transport­­verhalten unter­schied­­licher Draht­längen zu charak­­terisieren.“

Bei der konventionellen Methode werden die beiden Enden des nanoskaligen Drahtes durch zwei Elektroden kontaktiert und dadurch die Leitfä­higkeit bestimmt. Die Arbeits­gruppe um Dirk Guldi verfolgt einen anderen Ansatz: den der kovalenten Bindung. Hierbei übernehmen kohlenstoff­­basierte Moleküle die Funktion des Elektronen­­donors an einem Ende und des Elektronen­­akzeptors am anderen Ende des molekularen Drahtes. Regt man den Donor zum Beispiel durch Licht elektronisch an, so gibt er ein Elektron ab, das durch den Nanodraht zum Akzeptor transportiert wird. Mit Hilfe der Ultra­kurzzeit-Spektro­skopie, deren zeitliche Auflösung im Bereich von wenigen Femto­sekunden liegt, wird die Dauer des Elektronen­transfers über verschiedene Drahtlängen gemessen. „Durch diese Messungen gewinnen wir Aufschluss darüber, welche Molekül­­strukturen sich für den Ladungs­transfer besonders eignen“, erklärt Christina Schubert aus der Arbeits­gruppe Guldi.

Ein zentrales Hindernis beim Transfer von Elektronen sind molekulare Bewegungen im Nanodraht, etwa die Verdrillung um Einfach­bindungen. Um den Elektronen­transfer aber auch über vergleichsweise lange Distanzen bis zu 36,4 Å zu ermöglichen, werden Drähte benötigt, die sowohl starr als auch eben sind. Hier arbeiten die Erlanger Chemiker eng mit Forschungs­­partnern der Universität Tokio zusammen. Die japanische Arbeits­gruppe um Eiichi Nakamura hat sich auf die Entwicklung neuer Synthese­­reaktionen spezialisiert und versorgt die Erlanger Wissen­schaftler mit starren Kohlenstoff­drähten, an denen der Elektronen­transport im Nanobereich untersucht werden kann.

Bei ihren Experimenten mit den starren Kohlenstoff­brücken konnten die Erlanger Forscher nun erstmals feststellen, dass die elektronische Kommuni­kation zwischen dem Elektronen­donor und dem Elektronen­akzeptor viel stärker ist als bei vergleich­baren, nicht starren Kohlen­stoff­drähten – und zwar um das Drei- bis Vierfache.

Zusätzlich hat sich gezeigt, dass die „Elektron-Vibrations-Kopplung“, die das inelastische Tunneln von Elektronen ermöglicht, einen erheblichen Einfluss auf den Ladungs­transfer hat. Das inelastische Tunneln bahnt einen neuen Weg für das Elektron, was zu einer viel schnelleren Ladungs­rekom­bination führt. Die Chemiker um Dirk Guldi haben nun herausgefunden, dass die Elektron-Vibrations-Kopplung in starren Kohlen­stoff­brücken etwa doppelt so stark ist wie in flexiblen Drähten. Christina Schubert: „Das inelastische Tunneln von Elektronen konnten wir erstmals auch bei Raumtem­peratur nachweisen. Jetzt arbeiten wir daran, maßge­schneiderte Nanodrähte mit neuen Funktions­weisen in molekularen Bauteilen zu konstruieren.“

Das visionäre Ziel der Forschergruppen ist es, integrierte Bauteile und elektro­nische Schaltkreise auf molekularer Ebene für die Datenver­arbeitung zu entwickeln sowie Sonnen­energie um ein vielfaches effizienter zu nutzen als heute. Im Zentrum der Unter­suchungen stehen Kohlenstoff-Nanostrukturen – Fullerene, Kohlenstoff­röhrchen und Graphen – die in Lösung, in transparenten Filmen und auf Elektroden­oberflächen untersucht werden. Chemiker der FAU beginnen bereits damit, solche Kohlenstoff­komponenten in Solar­zellen zu integrieren, um deren Effizienz zu steigern. „Organische Solarzellen könnten künftig die derzeit verwendeten Silizium­solar­zellen ersetzen“, sagt Dirk Guldi. „Sie sind sehr viel preisgünstiger herzustellen, die eingesetzten Materialien sind umwelt­freundlich und die Module selbst müssen nicht starr sein, sondern können als semitrans­parente flexible Folie auf Haus­dächern, Fassaden und sogar Fenstern angebracht werden.“ (Quelle: FAU)

Referenz: J. Sukegawa et al.: Electron transfer through rigid organic molecular wires enhanced by electronic and electron-vibration coupling, Nat. Chemistry 6, 899–905 (2014); DOI: 10.1038/nchem.2026

Link: Lehrstuhl für Physikalische Chemie I (D. M. Guldi), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergNakamura Lab., Dept. of Chemistry, School of Science, Tokyo Daigaku

 

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