Weltrekord bei Erforschung von π-Elektronen­strukturen

Forschungsteam gelingt erstmals die Synthese vo Dodecacen

Einem Team internationaler Wissenschaftler unter der Leitung von Francesca Moresco (Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed der TU Dresden) und Diego Peña Gil (Center for Research in Biological Chemistry and Molecular Materials – CiQUS an der Universität Santiago de Compostela) und des CEMES-CNRS-Instituts in Toulouse ist ein Durchbruch auf dem Gebiet der π-Elektronenstrukturforschung gelungen. Zum ersten Mal haben sie eine Kette von zwölf Benzolringen synthetisiert, die längste bisher hergestellte Acen-Kette, die als Dodecacen bezeichnet wird. Die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften ergab eine unerwartete Zunahme der Energielücke von Dodecacen.

Der Forschergruppe ist es gelungen, eine Kette von zwölf Benzolringen, das so genannte Dodecacen, durch Oberflächen-Desoxygenierung eines stabilen Vorläufermoleküls zu synthetisieren. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersuchten die Forscher auch die elektronischen Eigenschaften des Dodecacens. Überraschenderweise zeigten ihre Experimente, dass die Energielücke bei Decacen (zehn Benzolringe) und Undecacen (elf Benzolringe) konstant bleibt, bei Dodecacen jedoch wieder zunimmt. Dieses Phänomen ist besonders interessant für die zukünftige Forschung in der molekularen Elektronik und Spintronik.

STM-Bild und schematische Darstellung des Dodecacens überlappen sich in dieser Abbildung. Zwölf helle Wolken, die die Benzolringe darstellen, sind gut unterscheidbar – Foto © cfaed der TU Dresden

Was sind Acene und warum sind längere Acene-Ketten so relevant, aber kompliziert?

Acene sind organische Verbindungen, genauer gesagt polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von linear verbundenen Benzolringen bestehen. Die Acen-Reihe stellt ein Modellsystem zur Untersuchung der faszinierenden elektronischen Eigenschaften erweiterter ?-Elektronenstrukturen im eindimensionalen Grenzbereich dar. Für Anwendungen in der Elektronik und Spintronik sowie für das grundlegende Verständnis des elektrischen Ladungstransports sind Erkenntnisse auf diesem Gebiet von großer Bedeutung.

Insbesondere höhere Acenreihen sind wegen ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften derzeit von hohem Forschungsinteresse. Jüngste Forschungsanstrengungen deuten auf einen höheren Radikalcharakter sowie auf die Stabilisierung der optischen Anregungsenergie bei einer zunehmenden Anzahl von gesicherten Benzolringen hin, was für nanoelektronische Bauelemente sehr attraktiv ist. Diese langen Acenketten sind jedoch äußerst schwierig zu synthetisieren, da sie chemisch sehr reaktionsfreudig und daher instabil, und außerdem nicht löslich sind.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten sind bereits am 12.12.2019 in der Zeitschrift “ACS Nano” veröffentlicht worden. Abstract:
“Die Acene-Reihe stellt ein Modellsystem zur Untersuchung der faszinierenden elektronischen Eigenschaften von erweiterten ?-Elektronenstrukturen im eindimensionalen Grenzbereich dar, die für Anwendungen in der Elektronik und Spintronik und für das grundlegende Verständnis des elektronischen Transports wichtig sind. Wir stellen hier die on-surface-Generation des bisher längsten Acens vor: Dodekacen. Die Rastertunnel-Spektroskopie ermöglicht den Zugang zu der Energieposition und der räumlichen Verteilung seiner elektronischen Zustände auf der Au(111)-Oberfläche. Wir beobachten, dass nach einer progressiven Schließung der Lücke und einer Stabilisierung auf etwa 1 eV bei der Länge von Decacen und Undecacen die Energielücke von Dodecacen unerwartet auf 1,4 eV ansteigt. Unter Berücksichtigung der Acenreihe als exemplarischer allgemeiner Fall diskutieren wir die Entwicklung mit der Länge der einzelnen Tunnelresonanzen im Vergleich zur Ionisationsenergie, der elektronischen Affinität und der optischen Lücke.”

Projekt und Forschergruppe

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des EU-Projekts “Planar Atomic and molecular scale devices ” (PAMS) durchgeführt. Nach mehrjähriger Arbeit mit dem Ziel, höhere Acenreihen zu untersuchen, ist dieses nun abgeschlossen. Die cfaed-Wissenschaftler Dr. Frank Eisenhut (ehemaliger Doktorand), Tim Kühne (Doktorand) und Dr. Francesca Moresco (Gruppenleiterin der “Single Molecule Machines”-Gruppe am cfaed) waren Teil dieses Forschungsteams. Seitens der TU Dresden war ebenfalls Prof. Gianaurelio Cuniberti vom Institut für Materialwissenschaft beteiligt.

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