Verständnis und Steuerung des elektronischen Ladungstransports in Proteinen: Kontrolle der Energieniveau-Ausrichtung durch nanoskalige Elektrodengeometrien

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Tornow
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397966586

Die zentrale Zielsetzung dieses Vorhabens fokussiert sich auf die Fragestellung "(Wie) kann 'Gating' die Effizienz und den Mechanismus des Elektronentransports durch Proteine kontrollieren?". Trotz des einerseits großen Wissens und Verständnisses zu Ladungstransferprozessen in bestimmten Proteinen und dem neuerdings wachsenden Interesse an der Untersuchung des Ladungstransports durch Proteine in einer Festkörper-basierten Konfiguration, bleiben viele zentrale Fragen offen. Diese betreffen den offensichtlich hoch-effizienten Transport und dessen Temperatur(un)abhängigkeit, mit unmittelbarem Einfluss auf die Frage nach dem/den zugrundeliegenden Transportmechanismus bzw. -mechanismen. Hier wäre insbesondere die reproduzierbare Anwendung einer dritten Elektrode zum elektrostatischen "Gating" des Ladungstransports durch Proteine sehr wünschenswert (analog zu einer Feldeffekttransistor-Geometrie). Auf diese Weise könnte die Verteilung der elektronischen Mo-lekül- Energieniveaus der Proteine gegenüber den Kontakt-Fermi-Niveaus verschoben werden, und so eine Korrelation mit den dazugehörigen Transportprozessen erreicht werden. Wir beabsichtigen, das oben genannte Ziel (Adressieren der fundamentalen Frage der Transportmechanismen) derart zu erreichen, dass wir verschiedenartige Architekturen hochdotierter Siliziumkontakte realisieren, wel-che durch Abstände von nur wenigen bis hin zu ~10 Nanometern voneinander getrennt sind (Nano-gap-Elektroden), und welche zugleich eine Gate-Elektrode in unmittelbarer Nähe aufweisen. Wir werden ausgewählte, geeignete Proteinsysteme nutzen und, nach deren eingehender Charakterisierung auf planaren Oberflächen desselben Materials wie die Elektroden, die Nanogaps spezifisch mit diesen Proteinen funktionalisieren. Im Anschluss werden elektrische Transportmessungen an diesen Nanogap- Bauelementen durchgeführt - als Funktion der Gatespannung, bei variablen Temperaturen und in geeigneten Fällen auch als Funktion einer Beleuchtung. Zusätzliche, moderne Charakterisie-rungstechniken wie z.B. die inelastische Elektronen- Tunnelspektroskopie werden die grundlegenden Ladungstransport- Studien ergänzen. Wir werden unsere elektrischen Daten analysieren und im Rahmen existierender sowie, sobald verfügbar, möglicher neuer theoretischer Modelle zum Ladungs-transport durch Proteine, welche mit Festkörperelektroden kontaktiert sind, modellieren. Wir erwar-ten, dass unsere Arbeit zu Daten führen wird, welche zum Verständnis der komplexen Ladungstrans-port-Vorgänge in Proteinen dringend erforderlich sind. Schließlich erwarten wir uns relevante Ergeb-nisse für zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der Bioelektronik einschließlich der Sensorik, der Energiewandlung sowie der Informationsspeicherung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. David Cahen
• Kooperationspartner: Professor Israel Pecht; Professor Dr. Mordechai Sheves