In-Situ Ladungstransportmessungen in Kombination mit Rastertunnelmikroskopie

Projektbeschreibung

Mein Forschungsprojekt ist im Bereich der molekularen Elektronik angesiedelt. Ziel ist es elektronische Schaltkreise, wie z.B. Computerchips, mit molekularen Bauteilen zu realisieren [1]. Ein Vorteil der molekularen Elektronik ist, dass mit organischen Molekülen als funktionale Einheiten, die Rohstoffkosten deutlich günstiger ausfallen. Zusätzlich kann eine weitere Miniaturisierung der Bauteile die Effizienz und den Energiebedarf senken [2]. Wir untersuchen die Frage, wie Ladungstransport in einem molekularen Draht funktioniert. Ein grundlegendes Problem ist dabei, wie man einen auf einer Probe adsorbierten molekularen Draht kontaktiert. Die molekularen Drähte, die ich im Rahmen meiner Promotion untersucht habe, hatten im Durchschnitt eine Breite von nur 0.74 nm (1 Nanometer = 10⁻⁹ m). Im Vergleich dazu sind menschliche Haare mit einem Durchmesser von einigen Zehntelmillimetern millionenfach dicker. Um solch kleine Strukturen zu kontaktieren, verwenden wir ein Rastertunnelmikroskop [3], dessen kleine Sonde mit sub-nanometer Präzision platziert werden kann. Die bildgebende Methode kann nicht nur nanoskopische Strukturen auflösen, sondern auch einzelne Moleküle manipulieren. Das heißt zum Beispiel, dass wir mit der Messsonde des Rastertunnelmikroskops die Moleküle auf dem Substrat mit atomarer Genauigkeit positionieren können. Des Weiteren können wir einzelne Moleküle von der tragenden Oberfläche lösen, um deren Ladungstransport zu studieren. Eine Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass durch das Loslösen des Moleküls seine Geometrie verdreht und der Ladungstransport damit entscheidend beeinflusst wird [4]. Andere Forschungsgruppen haben dies in unabhängigen Messungen ebenfalls bestätigt [5]. Deshalb müssen die molekularen Strukturen in der Geometrie, so wie sie auch später zum Einsatz kommen würden, untersucht werden und zwar planar auf der Probe adsorbiert.

Wir möchten eine neue Methode entwickeln, um adsorbierte molekulare Systeme mit nanoskopischen Elektroden zu studieren, die bereits im Kristall integriert sind. Dies ermöglicht uns den Ladungstransport von adsorbierten Strukturen zu studieren, die abhängig von der chemischen Struktur planar liegen. Für die Herstellung neuer Proben, die bereits elektronische Schaltkreise beinhalten, ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physikern, Chemikern und Ingenieuren notwendig. Diese Proben können dann im Ultrahochvakuum und bei -268°C kontaktiert werden. Bei den geplanten Experimenten werden die Vorteile eines Rastertunnelmikroskops mit herkömmlichen Transportmessungen kombiniert. Die bewegliche Sonde des Rastertunnelmikroskops fungiert dabei als mobile Elektrode. Die Sonde kann aber auch z.B. den molekularen Draht zwischen den Elektroden platzieren, um anschließend den genauen Aufbau unseres Schaltkreises zu charakterisieren. Damit können sehr präzise Experimente durchgeführt werden, wo sowohl die chemische Struktur der Moleküle, als auch die Bindung zu den Elektroden selbst definiert ist. Dies ist entscheidend um die experimentellen Ergebnisse theoretisch zu verstehen. Mit diesem Probendesign sind nicht nur Transportmessungen von molekularen Drähten möglich, sondern durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, können auch molekulare Rotatoren und molekulare Maschinen studiert werden. Wir versprechen uns von der Entwicklung dieser neuartigen Proben, ein besseres Verständnis von Ladungstransport auf molekularer Ebene.

Unsere Resultate und Fortschritte wollen wir selbstverständlich frei publizieren und somit der Allgemeinheit zugänglich machen. Sobald wir die ersten Ergebnisse haben, werden wir eine projektbezogene Website erstellen. Dort wird die Methode erklärt und der aktuelle Forschungsstand offengelegt. Das genaue Design unserer Probenträger, die wir im Moment noch entwickeln, werden wir auf dieser Webseite, in Publikationen und auf Konferenzen anderen Wissenschaftlern zur Verfügung stellen. Damit fördern wir weiterführende Experimente, die von der Ausgangslage, nämlich in der Laborausstattung durch die kommerziell erhältlichen Rastertunnelmikroskope, her ähnlich sind. Da die Proben mit diesen kompatibel sind, können andere Forschungsgruppen diese leicht an ihre experimentelle Fragestellung anpassen und in ihren Versuchsaufbau integrieren.

Quellen

[1] J. Heath, M. Ratner, Physics Today 56, 5, 43 (2003)

[2] J.C. Cuevas, E. Scheer, Molecular Electronics, World Scientific (2010)

[3] G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982)

[4] M. Koch, F. Ample, C. Joachim, L. Grill, Nature Nanotechnology 7,713 (2012)

[5] C. Bruot, J. Hihath, N. Tao, Nature Nanotechnology 7, 35 (2012)

Matthias Koch

Name: Matthias Koch
Institution: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Kontakt: m.koch@fhi-berlin.mpg.de