Entwicklung von Heteropolyvanadat-Spincluster als Kandidaten für zukünftige redox-basierte Speicherbausteine

• Antragsteller: Dr. Kirill Monakhov
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268755760

In naher Zukunft wird der zunehmende Einfluss von Quanteneffekten die weitere Verkleinerung konventioneller mikroelektronischer Bauelemente erheblich einschränken. Um das Mooresche Gesetz weiter aufrecht zu erhalten, schlage ich vor, das aus der Festkörperforschung entstandene Prinzip des resistiven Schalters (Memristor) erstmals auf die Ebene eines einzelnen Moleküls zu übertragen und hierzu individuell funktionalisierte molekulare Metalloxide als Einzelmolekül-Speicher zu untersuchen. Meine Idee ist es, die Funktion der einfachen Metall-Isolator-Metall-Struktur einer typischen resistiven RAM-Einheit (ReRAM) nachzubilden, indem ein passendes redoxaktives hetero-Polyoxovanada (POV)-Molekül auf eine metallische Oberfläche (untere Elektrode) aufgebracht und dann mit der metallischen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (obere Elektrode) verbunden wird. Dieses prototypische System ermöglicht feldabhängig die Veränderung des Oxidationszustandes und der damit verbundenen Leitfähigkeit des jeweiligen magnetischen oberflächenadsorbierten hetero-POV(IV/V)-Clusters. Dieses interdisziplinäre und explorativ angelegte Projekt SwitchSpinPOV zielt darauf ab, eine neue Richtung auf dem Gebiet der elektrisch induzierten Widerstandsschaltungen einzuschlagen, indem thermisch stabile hetero-POV-Moleküle mit verschiedenen stabilen Oxidationsstufen als Prototypen für neue molekulare Speicher eingesetzt werden. Die starke Korrelation zwischen Delokalisierung von Elektronen, magnetischen Zuständen, Kondo-Resonanz, Oxidationsstufen und elektrischer Leitfähigkeit innerhalb eines einzelnen hetero-POV-Moleküls eröffnet zudem Perspektiven für eine kombinierte Entwicklung im Bereich der Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation in ein und demselben Molekül. Die dargestellten hetero-POV-Einheiten sollen sowohl experimentell als auch mittels quantenmechanischer Simulationen hinsichtlich ihrer Reaktivität, Thermostabilität, elektrochemischer, spektroskopischer, magnetischer und photophysikalischer Eigenschaften analysiert werden. Mithilfe dieser Ergebnisse sollen die Syntheseparameter im Anschluss immer weiter im Hinblick auf die kritischen Parameter eines Einzelcluster-Memristors verfeinert werden. Dies erfordert auch einen auf atomarer Ebene kontrollierbaren Adsorptionsprozess der hetero-POV-Moleküle auf metallischen Substraten, was letztlich die Analyse ihrer Ladungstransport- und Schaltfähigkeit durch Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen