Empa-Forschenden ist es gelungen, organische Porphyrin-Moleküle mit funktionellen Metallzentren an ein Graphen-Nanoband zu binden, und das mit atomarer Präzision. Das resultierende Hybridsystem ist magnetisch und elektronisch gekoppelt und ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in der molekularen Elektronik, von chemischen Sensoren bis hin zu Quantentechnologien.
Die organische Chemie ist die Grundlage des Lebens, aber auch Metalle sind bei vielen biochemischen Prozessen wichtig. Für eine Verbindung von grossen und schweren Metallatomen mit leichten organischen Verbindung bildete die Natur die Porphyrine. In die Mitte des organischen Rings können einzelne Metall-Ionen wie Eisen, Kobalt oder Magnesium verankert werden. Hämoglobin, das photosynthetische Chlorophyll in Pflanzen und zahlreiche Enzyme basieren auf dem Porphyrin-Grundgerüst. Das eingeschlossene Metallteilchen beeinflusst die chemischen und physikalischen Eigenschaften.
Um die Flexibilität und Funktionalität von Porphyrinen z.B. in der molekularen Elektronik nutzen zu können, müssen sie mit anderen Komponenten verbunden sein. Den Empa-Forschenden aus dem Labor «nanotech@surfaces» ist es in Zusammenarbeit mit Synthese-Chemikern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung gelungen, einzelne Moleküle zu verdrahten. Sie können nun «Porphyrine in einer präzisen und genau definierten Weise an ein Graphen-Nanoband ankoppeln».
Rückgrat aus Kohlenstoff
Je nach Breite und Form ihrer Ränder weisen die Graphen-Nanobänder ein ganzes Spektrum von physikalischen Eigenschaften auf, etwa unterschiedliche Leitfähigkeiten, Magnetismus oder Quanteneigenschaften. Das Band der Empa-Forscher ist nur 1 Nanometer breit und hat gezackte Ränder. An den Rändern dieses molekularen Drahtes sind beidseitig abwechselnd Porphyrin-Moleküle angedockt. Durch den Zickzack-Rand entsteht eine besondere Art von Magnetismus. Die Metallatome in den
Porphyrinmolekülen sind jedoch konventionell magnetisch.
«Der Unterschied liegt in den Elektronen, die den Spin für den Magnetismus liefern. Während die Spin-tragenden Elektronen beim Metallzentrum an ihrem Metallatom verbleiben, verteilen sich die entsprechenden Elektronen im Graphenband entlang der
beiden Kanten.» Die Kopplung beider Magnetarten öffnet in der molekularen Elektronik neue Türen. Das elektrisch leitende und magnetische Graphenband ist eine Art nanoskaliges Kabel zwischen den Porphyrinmolekülen. Der korrelierte Magnetismus solcher Graphen-Nanobänder gilt als besonders vielversprechend für quantentechnologische Anwendungen, in denen der dem Magnetismus zugrunde liegende Spin als Informationsträger fungiert. «Unser Graphenband mit den Porphyrinen könnte als eine Reihe von miteinander vernetzten Qubits funktionieren», so Roman Fasel, Leiter des «nanotech@surfaces»-Labors.
atomarer Präzision synthetisieren, wie Mikroskopieaufnahmen bestätigen (oben Rastertunnelmikroskopie,
unten Rasterkraftmikroskopie im Nicht-Kontakt-Modus). Bild: Empa
Licht und Magnetismus
Porphyrine wie Chlorophyll und Hämoglobin sind auch natürliche Farbstoffe. Es wird nun möglich, mit den elektronischen und magnetischen Eigenschaften solcher molekularer Ketten in Wechselwirkung zu treten. „So können die Porphyrine Licht emittieren, dessen Wellenlänge sich mit dem magnetischen Zustand des gesamten molekularen Systems verändert – eine Art molekulare Lichterkette, in der Informationen durch leichte Farbänderungen ausgelesen werden könnten.» Im umgekehrten Prozess könnten durch Licht angeregte Porphyrine die Leitfähigkeit und den Magnetismus des Graphen-Rückgrats beeinflussen.
Da sich Porphyrin-Moleküle einfach funktionalisieren lassen, können sie auch als chemische Sensoren verwendet werden. Dazu hängt man bestimmte chemische Gruppen an das Band. Das System ist ein Baukasten, mit dem man experimentieren kann. Die Forscher wollen nun unterschiedliche Metallzentren in die Porphyrine einsetzen und den Effekt untersuchen und auch breitere Graphenbänder herstellen. Die komplexen Moleküle (Lichterketten) «backen» die Forschenden auf goldbeschichteten Blechen bei einigen hundert Grad Celsius im Ultrahochvakuum zu den langen Ketten.
