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Seminarvortrag, 19.11.2009: Was ist molekulare Elektronik? Lukas | Ferdinand

Seminarvortrag, 19.11.2009: Was ist molekulare Elektronik? · 19.11.2009 Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik? 3 Harwell Computer 1949 in England entworfen, von 1951 bis

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Seminarvortrag, 19.11.2009:

Was ist molekulare Elektronik?Lukas | Ferdinand

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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

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19.11.2009 3Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

Harwell Computer 1949 in England entworfen, von 1951 bis 1973 in Dienst

Stand der Technik, 2009

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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

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Ie n

19.11.2009 5Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

Notwendigkeit eines kompletten Umdenkens bei der Auswahl der Materialien

Neuer Ansatz: Molekulare Elektronik

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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.

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19.11.2009 7Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

3.1 Elektrische molekulare Drähte

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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:

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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

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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)

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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

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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)

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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

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19.11.2009 24Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

3.2 Molekulare Schalter

Symbolhafte Darstellung eines Schaltkontakts

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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).

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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

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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

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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

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19.11.2009 29Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

Familien photochromer organischer Moleküle:

a) Fulgide

b) Diarylethene

c) Azofarbstoffe

3.2 Molekulare Schalter

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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

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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

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19.11.2009 32Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

Energietransfer:

3.2 Molekulare Schalter

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19.11.2009 33Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

3.2 Molekulare Schalter

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19.11.2009 34Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

Elektronentransfer:

Bsp: Diarylethen

Geschlossenes π-Elektronensystems

3.2 Molekulare Schalter

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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

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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

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19.11.2009 37Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

3.3 Molekulare Speicher

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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

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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

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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:

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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

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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

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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

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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

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,

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

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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´

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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

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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

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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

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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

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19.11.2009 51Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

4. OLED – organiclight-emitting diode

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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)

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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

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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

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19.11.2009 55Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

4. OLED – organic light-emitting diode

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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

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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)

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19.11.2009 58Seminarvortrag: Was ist molekulare Elektronik?

Ende

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit