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Force-controlled lifting of molecular wires

Winziger geht’s kaum: Einzelne Moleküle gelten als vielversprechende Kandidaten zur ultimativen Miniaturisierung für nanoelektronische Bauteile. Doch trotz stetiger Fortschritte in der Herstellung von Nanobauteilen und -materialien ließ sich die Leitfähigkeit einzelner Moleküle – als Grundvoraussetzung für die weitere Erforschung und Entwicklung - bisher nur sehr schwer kontrolliert und reproduzierbar messen. Mit einer neu entwickelten Methode haben Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich jetzt einen Durchbruch im Umgang mit solchen „molekularen Drähten“ erreicht.

„Molecular wires“ sind eine mögliche Grundlage für überlegene Datenspeicher oder leistungsfähigere und gleichzeitig sparsamere Prozessoren der Zukunft. Sie könnten auch die Basis bilden für neuartige Sensoren und die Kopplung von lebenden Zellen mit elektronischen Systemen. Jülicher Forschern ist es erstmals gelungen, die Enden eines einzelnen, isolierten Moleküls kontrolliert mit zwei Elektroden an jeweils einem Atom zu kontaktieren. So konnten sie die Leitfähigkeit erstmals unter kontrollierten Bedingungen bestimmen.

Stefan Tautz vom Peter Grünberg Institut (PGI) berichtet: „Die vorherigen Messungen waren sehr unzuverlässig, weil niemand genau sagen konnte, wie solch ein einzelnes Molekül genau in Kontakt mit den Elektroden stand. Indem wir die bekannte Technik der Kontaktierung im Rastertunnelmikroskop mit einem Rasterkraftmikroskop kombiniert haben, konnten wir die Aufrichtung eines einzelnen molekularen Drahtes zum ersten Mal direkt verfolgen.“ Bei dem neuen Messverfahren wird die extrem feine, auf ein einzelnes Atom zulaufende Spitze des Rasterkraftmikroskops in gleichmäßige Schwingungen versetzt. Gleichzeitig stellt diese Spitze eine Elektrode dar, die das zu untersuchende Molekül einspannt und anhebt. Durch den Kontakt mit dem Molekül verändert sich die Schwingungsfrequenz des Mikroskop-Tastkopfs, so dass sich aus dieser Frequenzverschiebung direkt die Stärke der Kopplung und damit die Lage des Moleküls ableiten lässt.

Die Jülicher Wissenschaftler wählten für ihre Tests ein rund ein Nanometer langes, bandartiges Molekül mit der Kurzbezeichnung PTCDA. Dieses Molekül gleicht in seinem Aufbau dem Nanomaterial Graphen, das ebenfalls aus einer Schicht aus miteinander verbundenen Kohlenstoffringen aufgebaut ist. Wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und seiner einzigartigen, elektronischen Struktur gilt Graphen als aussichtsreicher Werkstoff für zukünftige nanoelektronische Komponenten - angefangen von neuartigen Sensoren, Prozessoren und Speichern bis hin zu intelligenten Anzeigen und Fensterscheiben. Für die Entdeckung des „Wundermaterials“ im Jahr 2004 bekamen die Wissenschafter Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Physiknobelpreis verliehen.

Originalveröffentlichung:

Physics.org Summary

N. Fournier, C. Wagner, C. Weiss, R. Temirov, and F. S. Tautz
Phys. Rev. B 84, 035435 (2011) Force-controlled lifting of molecular wires

Bilder:

Rastertunnel- und RasterkraftmikroskopDer Jülicher Doktorand Norman Fournier vom Peter Grünberg Institut beim Einrichten des kombinierten Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskops.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

AtomaremikroskopSpitzeDie auf ein einziges Atom zulaufende Spitze des Rasterkraftmikroskops dockt von oben an einem (rot gefärbten) Sauerstoffatom des zu untersuchenden PTCDA-Moleküls an und hebt es von der Metalloberfläche ab.. Über ultrafeine Vibrationen lassen sich die vom Molekül auf die Spitze ausgeübten Kräfte und damit die Lage des Moleküls bestimmen.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Kontakt SimulationVor der Messung wird am Computer simuliert, auf welchem Weg die Spitze nach Kontaktierung des Moleküls zurückgezogen werden muss, damit sich das Molekül problemlos zu einem freistehenden molekularen Draht aufrichten lässt.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Weitere Informationen:

Forschung am Peter Grünberg Institut

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Stefan Tautz
Peter-Grünberg-Institut (PGI)
Forschungszentrum Jülich
Telefon: 02461/61-4561
s.tautz@fz-juelich.de


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