Transport und Transport-bezogene Phänomene in gatingkontrollierten Nanokontakten aus Molekülen mit großen Auslenkungen der Kernbewegung

• Antragsteller: Dr. Ioan Baldea
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286253420

Molekulare Elektronik ist ein aktuelles Forschungsgebiet, das ein tieferes Verständnis der Chemie und Physik auf der Nanoskala anstrebt und so die Herstellung molekularer Schaltkreise mit gewünschter Funktionalität ermöglichen soll. Umfangreiche Arbeiten, die in Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von Prof. C. D. Frisbie (Universität von Minnesota) in der ersten Förderperiode dieses Projekts durchgeführt wurden, lieferten viele Ergebnisse, die zu einer vertieften Einsicht in Transport und transportbezogene Phänomene in Nanokontakten aus Molekülen mit großen Auslenkungen der Kernbewegung (“floppy molecules”) beitrugen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden in der nächsten Förderperiode zwei Ziele verfolgt. Zunächst wollen wir, angeregt durch Erkenntnisse aus der ersten Förderperiode, weitere theoretisch-experimentelle Studien zu molekularen Bauelementen unter mechanischer Belastung durchführen. Diese Studien sind stark durch vorläufige Ergebnisse motiviert, die ein rätselhaftes nanoelastisches Verhalten von Nanokontakten aus “floppy” Molekülen offenlegen. Angesichts dieses völlig ungewöhnlichen Verhaltens erwarten wir, dass unsere Arbeit einen neuen, wichtigen Beitrag zur Nanoelastizität insgesamt liefern wird. Zweitens wollen wir in einer gemeinsamen theoretisch-experimentellen Anstrengung zum ersten Mal in der Literatur den Ladungstransport durch Nanokontakte aus Floppy-Molekülen unter Elektrolytgating mit ionischen Flüssigkeiten/Gelen anstelle von gewöhnlichen Elektrolyten untersuchen. Dieser experimentelle Ansatz wurde kürzlich in Frisbies Gruppe entwickelt. Die geplanten theoretischen Studien unterscheiden sich von der Mehrheit der bestehenden Studien zum Nanotransport, bei denen Moleküle bei starrer Geometrie angenommen werden. Um die reorganisierbaren Schwingungsmodi zu berücksichtigen, führen wir eine Ensemble-Mittelung der Transporteigenschaften durch. Die in diesem Projekt einzusetzende Methode wird eine neue Methode des Antragsstellers erweitern, die kürzlich in der Biochemie und Elektrochemie anerkannt wurde und sich wesentlich von der üblichen Beschreibung unterscheidet. Die durchzuführende Ensemble-Mittelung ist nicht trivial, u.a. weil die mit Floppy-Moden zusammenhängende Reorganisation sich qualitativ von der herkömmlicher Lösungsmittel unterscheidet. Stärkere Fluktuationseffekte aufgrund von Floppy-Moden und deren Temperatur-Abhängigkeit werden in Fällen erwartet, in denen das dominante Molekülorbital näher an das Fermi-Niveau der Elektrode gebracht werden kann. Dies kann durch elektrochemisches Gating sehr effizient erreicht werden. Jedoch ist der zugängliche Temperatur-Bereich mittels gewöhnlicher Elektrolyte sehr begrenzt. Mit ionischen Flüssigkeiten/Gelen kann ein wesentlich breiterer Bereich erforscht werden. Die in diesem Projekt erzielten theoretischen Ergebnisse, die mit Daten aus experimentellen Begleitstudien verglichen werden sollen, werden neue Einblicke in den Ladungstransport auf der Nanoskala liefert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor C. Daniel Friesbie, Ph.D.