Goldene Nanoelektronik

Normalerweise müssen Metallpartikel von einer Schutzschicht – den Liganden – umgeben sein, damit sie nicht aneinander haften. Jetzt aber hat das Forschungsteam um den Chemiker Stijn F.L. Mertens der Universität Bern herausgefunden, dass kleine Goldpartikel in ionischer Flüssigkeit auch ohne Liganden quantisiertes Ladungsverhalten zeigen. Quantisiert heißt, es können einzelne Ladungen kontrolliert auf eine extrem kleine Struktur aufgebracht und wieder heruntergeholt werden. Die Schutzfunktion übernimmt dabei die ionische Flüssigkeit.

Den theoretischen Hintergrund zum Projekt lieferten die Physiker Michael Walter und Alexander Held vom Freiburger Materialforschungszentrum der Albert-Ludwigs-Universität. Die beiden Wissenschaftler berechneten die Eigenschaften der Goldpartikel, indem sie durch ein Simulationsmodell den Versuchsablauf von Mertens‘ Team nachahmten. So konnten sie das unerwartete beobachtete Verhalten der Partikel aus den Versuchen erklären. In einer aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Angewandte Chemie“ stellen die Wissenschaftler nun ihre Ergebnisse vor.

In diesem Forschungsexperiment dient die ionische Flüssigkeit nicht nur als stromleitendes Lösungsmittel, sie ersetzt als Umgebung der Gold-Nanopartikel auch deren fehlende Schutzschicht und kann sie auf diese Weise stabilisieren. Die Goldpartikel sind damit soweit geschützt, dass sie auch starke Schwankungen im Ladungszustand aushalten können.

In ihrer Studie demonstrieren die Forscherinnen und Forscher nun erstmalig, dass ligandenfreie Goldcluster, also wenige miteinander verbundene Goldatome, genauso quantisierte Ladung aufweisen können, wie ihre Verwandten mit Schutzhülle, auf die sich bisherige Studien konzentrierten. Durch die Quantisierung können die Wissenschaftler gezielt einzelne Elektronen manipulieren, wozu herkömmliche Ladungsprozesse Tausende von Elektronen benötigen. Diese Genauigkeit ist für die weitere Miniaturisierung der Elektronik unabdingbar. So können Systeme mit hoher Funktionalität auf kleinstem Raum hergestellt werden.

Seit gut zehn Jahren ist die quantisierte Ladung von nanometergroßen Metallpartikeln Gegenstand intensiver Forschung. Die Wissenschaftler setzen große Hoffnung in diese Technik, da sie eine Schlüsselrolle in nanoelektronischen Anwendungen der Zukunft spielen soll. So sollen beispielsweise Mikroprozessoren in den nächsten Jahren aus Strukturen der Nanoelektronik aufgebaut werden. „Der Bau zukünftiger Elektronik mit Gold-Nanopartikeln könnte eines Tages eine Alternative zum Silizium darstellen“, erklärt Walter. Denn unter den Metall-Nanopartikeln ist Gold das stabilste Material und damit vielseitig einsetzbar. Silberpartikel sind beispielsweise viel weicher und gehen schneller kaputt. „Jedoch stecken diese Arbeiten noch in der Entwicklungsphase“, sagt Walter: „Wir sind gerade dabei, zu erforschen, was mit Goldclustern überhaupt alles möglich ist“.

Publikation:
Stijn F.L. Mertens, Christian Vollmer, Alexander Held, Myriam H. Aguirre, Michael Walter, Christoph Janiak, and Thomas Wandlowski (2011): “Ligand-Free“ Cluster Quantized Charging in an Ionic Liquid: Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/anie.201104381.