Versteckter Nanostromschalter: Kieler Forschende entdecken Schaltfunktion in molekularem Draht

Gerade einmal zwei Atombindungen lang und ein Atom breit ist der Draht, den die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Kiel und San Sebastian hergestellt haben. „Das ist der denkbar einfachste molekulare Draht, dünner und viel kürzer geht es nicht“, erklärt der Kieler Physiker Torben Jasper-Tönnies, Erstautor der Publikation.

Um den Strom zu messen, der durch den Nanodraht fließt, müssen seine beiden Enden jeweils mit einer Metallelektrode verbunden werden – wie bei größeren Schaltkreisen auch. Doch es gibt keine Metallklammern, die klein genug wären, um elektrische Kontakte im Nanomaßstab herzustellen.

„Einzelne Moleküle in einem elektrischen Schaltkreis zu kontaktieren, ist ein Problem, das bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde und in der Forschung viel diskutiert wird“, erklärt Jasper-Tönnies, der derzeit in der Arbeitsgruppe von Professor Richard Berndt seine Doktorarbeit schreibt.

Um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen, entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den neuen Draht aus einem Molekül. „Das Besondere an unserem Draht ist, dass wir ihn senkrecht auf eine Metalloberfläche anbringen können. Das heißt, einer der beiden nötigen Kontakte ist im Draht gewissermaßen schon eingebaut“, erläutert Jasper-Tönnies das Prinzip.

Dafür nutzen die beteiligten Chemikerinnen und Chemiker einen Ansatz aus dem Kieler Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“. In dem interdisziplinären Forschungsverbund wird unter anderem mit molekularen Plattformen gearbeitet. Auf so eine Plattform stellten sie den Draht. Sie besitzt eine gute Leitfähigkeit und lässt sich ähnlich wie ein Saugnapf problemlos an einer Metalloberfläche befestigen – der Anfang für einen Stromkreis ist gemacht.

Für den zweiten benötigten Kontakt nutzte das Forschungsteam ein Rastertunnelmikroskop (RTM). Mit einer Metallspitze „ertastet“ es sich eine Probe und erstellt so eine Abbildung ihrer Oberfläche bis auf die Skala von wenigen Nanometern. So werden auch einzelne Atome sichtbar. In ihren Experimenten verwendeten die Kieler Forschenden für das RTM eine besonders feine Metallspitze, an deren Ende nur ein einziges Atom sitzt.

Damit konnten sie das zweite Drahtende elektrisch kontaktieren, den Stromkreis schließen und die Stromstärke messen. „Durch diesen sehr präzisen Kontakt über nur ein Atom haben wir besonders gute Daten erhalten. Wir können diese Kontakte immer wieder herstellen und die Stromwerte unterscheiden sich von Draht zu Draht wenig“, sagt Jasper-Tönnies.

Während ihrer Messungen stellten die Wissenschaftler außerdem fest, dass zwischen der Metallspitze des RTM und dem Nanodraht quantenmechanische Kräfte wirken, mit deren Hilfe sich der Draht mechanisch verbiegen lässt. Wird der Draht nur leicht verbogen, reduziert sich die Stromstärke. Bei starkem Verbiegen steigt sie hingegen an. „Durch das Biegen des Drahts konnten wir also den Strom an- oder ausschalten. Obwohl unser Draht so einfach aufgebaut ist, verhält er sich sehr komplex – das hat uns überrascht“, so Jasper-Tönnies.

Die Ursache für die ungewöhnliche Stromleitung des Nanodrahts sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in seiner molekularen Struktur. Das untermauern die Berechnungen von Dr. Aran Garcia-Lekue und Professor Thomas Frederiksen aus San Sebastián. Aufgrund der quantenmechanischen Kräfte gehen einzelne Atome des Drahts neue chemische Bindungen mit dem Atom der RTM-Spitze ein. So verändert sich die Geometrie des Moleküls und damit seine Eigenschaften.

„Tatsächlich können kleine geometrische Unterschiede einen sehr großen Effekt haben. Deshalb ist es wichtig, die Geometrie eines Moleküls möglichst genau einstellen und messen zu können – und das erreichen wir über die präzise Kontaktierung des Nanodrahts und über die RTM-Bilder in atomarer Auflösung“, so Jasper-Tönnies.

Die Publikation der Forschenden aus Kiel und San Sebastián wurde in den Physical Review Letters von den Herausgebern als „Editors' Suggestion“ besonders hervorgehoben.

Original-Publikation
Conductance of a Freestanding Conjugated Molecular Wire, Torben Jasper-Tönnies, Aran Garcia-Lekue, Thomas Frederiksen, Sandra Ulrich, Rainer Herges, Richard Berndt. Phys. Rev. Lett. 119, 2017, 066801
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.066801

Bildmaterial steht zum Download bereit:

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Bildunterschrift: Mit viel technischem Aufwand setzte Torben Jasper-Tönnies ein einzelnes Atom an die Spitze des Rastertunnelmikroskops. Es hat sich gelohnt: Der Physiker konnte einen winzigen Draht aus einem Moleküle an einen Stromkreis anschließen.
Foto: Siekmann/CAU

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Bildunterschrift: Draufsicht: Gerade einmal ein Atom – weniger als ein Nanometer – ist der Draht (grün) breit, der senkrecht auf einer leitfähigen Plattform (rot) angebracht ist. Sie lässt sich ähnlich problemlos wie ein Saugnapf auf einer Metalloberfläche (dunkel) anbringen – der Anfang für einen Stromkreis ist gemacht.
Copyright: Jasper-Tönnies

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Bildunterschrift: So wird das Drahtmolekül zum Nanoschalter: Je näher die Spitze des Rastertunnelmikroskops (gelb) dem Nanodraht (blau) kommt, desto mehr biegt er sich – und die Stärke des Stromflusses ändert sich, wie ein Stromschalter auf Nanoebene. Quantenmechanische Kräfte, die zwischen Spitze und Draht wirken, verändern die Geometrie des Drahtmoleküls und damit seine Eigenschaften.
Copyright: Jasper-Tönnies

Kontakt:
Dipl.-Phys. Torben Jasper-Tönnies
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: 0431/880-3834
E-Mail: jasper-toennies@physik.uni-kiel.de

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Im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel arbeiten rund einhundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Pharmazie und Medizin fächerübergreifend daran, schaltbare molekulare Maschinen zu entwickeln, die zum Beispiel durch Licht oder Temperatur gesteuert werden können. Der SFB wird seit 2007 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert. Weitere Informationen: http://www.sfb677.uni-kiel.de