n MOLEKYLÆR ELEKTRONIK Næsten usynlig: elektronik på atomniveau Små ændringer i et molekyles elektroniske struktur kan have store konsekvenser for dets evne til at lede strøm. Vi har i forskellige systemer udnyttet, at ved at ændre på et molekyles konjugation, dvs. den måde alternerende dobbeltbindinger er placeret på, kan man skrue op og ned for dets ledningsevne. Man har med andre ord opnået en molekylær kontakt. Af Stine T. Olsen, Mogens Brøndsted Nielsen og Kurt V. Mikkelsen, Kemisk Institut, Københavns Universitet Hvordan designer man molekylære tænd-sluk kontakter? Siden de første elektriske komponenter så dagens lys, har forskere arbejdet på at gøre elektronikken mindre og mindre, men samtidig også mere kraftfuld. Dog nærmer den traditionelle silicium-baserede fabrikationsteknik sig en grænse. Næste skridt i udviklingen er at erstatte silicium med organiske molekyler - molekylær elektronik er hermed en introduktion til en verden af nye muligheder med f.eks. hurtigere og mere effektive computere, hvor de klassiske elektriske komponenter er skiftet ud med molekyler. Forestil dig; din mobil så tynd som papir, så kraftig som en supercomputer, muligheden for at folde dit tv sammen og tage med på farten og biosensorer, der afslører neurodegenerative sygdomme som Alzheimers og Parkinson. Alt dette og mere til kan blive en realitet, hvis forskerne knækker koden til forståelsen og anvendelsen af molekylær elektronik. Hidtil har de elektroniske komponenter været baseret på silicium, hvilket har sat sine begrænsninger. De hårde uorganiske siliciumkomponenter har begrænset brugen til ikke-fleksible elektriske komponenter såsom traditionelle fladskærme og smartphones. Ydermere sætter den uorganiske opbygning begrænsning i forhold til brugen i biologiske systemer, idet kroppen oftest vil kunne forventes at frastøde disse, og hermed ikke være egnet til medicinal brug og diagnosticering. Foruden den begrænsede anvendelse er siliciumteknologien ved at nå sit maksimale udbytte. I mere end 50 år har vi oplevet en eksponentiel udvikling inden for de elektriske komponenter, hvor antallet af transistorer på en chip ca. er blevet fordoblet hvert andet år. I praksis har dette betydet, at man ca. hvert andet år har kunnet skifte sin computer ud til en nyere model med omtrent dobbelt så meget processorkraft for næsten samme pris. Denne udvikling er bedre kendt som Moores lov. I dag fremstilles der elektriske kredsløb ned i størrelsesordenen af 10 nanometer, men denne udvikling sætter naturlovene snart en stopper for, hvis ikke den traditionelle siliciumteknologi erstattes med en ny. Molekylær elektronik I molekylær elektronik erstattes den traditionelle siliciumteknik med små organiske molekyler på nanometerstørrelse [1]. Ideen bag molekylær elektronik opstod som et tankeeksperiment i 1974 mellem to amerikanske forskere, Mark A. Ratner og Ari Aviram, som tænkte, at et enkelt passende funktionaliseret molekyle fanget mellem to metalelektroder kunne fungere som ensretter for strømmen [2]. Ved at introducere organiske molekyler kan forskellige elektriske komponenter opnås, der, foruden at være mindre end de oprindelige, også besidder nye fordelagtige egenskaber. Tag f.eks. den nye OLED-teknologi (Organic Light-Emitting Diode), som muliggør fleksible skærme. Molekylær elektronik er dog langt fra fuldt kommercielt tilgængeligt, da forskningen stadig byder på mange basale udfordringer. Design af en såkaldt molekylær kontakt har været vores fokus. En organisk molekylær kontakt, som illustreret i figur 1, består af et organisk molekyle kemisk bundet vha. to ”molekylære krokodillenæb” til to metalelektroder, ofte guld. Ved at skabe en spændingsforskel mellem de to elektroder vil molekylet kunne agere som en ledning, hvorigennem en strøm kan løbe. Ved at påvirke molekylet med en ydre stimulans, som f.eks. kan resultere i en isomeriseringsreaktion, ønsker vi at ændre ledningsevnen fra f.eks. høj til lav, og tilbage igen. Dette er præcis den egenskab, en almindelig elektrisk kontakt har. Vi er da i stand til at kunne tænde og slukke for strømmen i 18 dansk kemi, 98, nr. 11/12, 2017
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her