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Kurzdarstellung

Im Zuge der rapide fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik und Sensorik eröffnen Moleküle als Bausteine einer zukünftigen „molekularen Nanotechnologie“ die Vision einer extremen Integration funktioneller Eigenschaften. Das kontrollierte Schalten zwischen mikroskopisch unterschiedlichen molekularen Zuständen wird dabei eine zentrale Rolle spielen. Hierfür liefert die Natur ein attraktives Vorbild durch molekulare Schaltprozesse, welche häufig – wie etwa bei Photorezeptoren – durch optisch induzierte Konformationsänderungen vermittelt werden. Die Realisierung von Schaltfunktionen erfordert die Synthese geeigneter molekularer Nanosysteme und ein grundlegendes Verständnis ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften einschließlich der Wechselwirkung mit der Umgebung. Darüber hinaus wird eine aktive Kontrolle molekularer Zustände durch externe Stimuli wie äußere Felder, Kräfte und aufgeprägte Ströme benötigt. Die Verbindung molekularer Nanosysteme mit Festkörperoberflächen besitzt ein besonderes Potential für die Verwirklichung molekularer Schaltfunktionen: In Kontakt mit Oberflächen lassen sich wohl definierte molekulare Geometrien herstellen, in denen laterale Abstände und Kopplungen in weiten Grenzen variiert werden können. Auch für den elektrischen Kontakt des molekularen Systems mit der Außenwelt, insbesondere für Ladungstransportprozesse, ist die Wechselwirkung mit Festkörperoberflächen unabdingbar.

 

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 658 sollen daher Grundlagen von Schaltprozessen, ausgelöst durch externe Stimuli an wohl definierten molekularen Systemen im Kontakt mit Festkörperoberflächen, systematisch untersucht werden. Wir konzentrieren unsere Aktivitäten auf das Studium reversibler Übergänge zwischen Zuständen, die mit einer molekularen Konformationsänderung verbunden sind und eine messbare Änderung der Funktionalität, d. h optischer, elektronischer und magnetischer Eigenschaften des Systems bewirken. Untersucht werden Elementarprozesse am Einzelsystem und im Ensemble, d. h. alle Einzelschritte und die physikalischen Parameter und Wechselwirkungen, die den Schaltprozess ermöglichen und beeinflussen. Entscheidend für den Erfolg des Projekts ist die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von Experimentalphysikern, synthetisch arbeitenden Chemikern und Theoretikern. Hierzu wird ein komplexes Methodenspektrum mit gezielter Synthese molekularer Schalter, Charakterisierung der strukturellen und elektronischen Eigenschaften mit quantitativen Methoden der Oberflächenphysik und theoretischer Modellierung eingesetzt. Langfristig sollen auf Basis dieser Grundlagenuntersuchungen neuartige Funktionalitäten, wie z. B. kooperative Schaltprozesse von Molekülen an Festkörpergrenzflächen, realisiert und Kriterien für Anwendungen in molekularen Funktionselementen erarbeitet werden.