Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Versteckter Nanostromschalter: Kieler Forschende entdecken Schaltfunktion in molekularem Draht

27.10.2017

Die weitere Miniaturisierung in der Elektronik wird zu Bauteilen führen, die nur noch aus wenigen oder einzelnen Molekülen bestehen. Um diese Komponenten auf der Nanoebene zu einem Stromkreis zu verbinden, werden winzige Drähte benötigt. Ein internationales Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Donostia International Physics Centers in San Sebastián/Spanien hat jetzt einen Draht aus einem einzelnen Molekül mit dem Durchmesser eines Atoms hergestellt. Er funktioniert wie ein Nanostromschalter und macht den Einsatz molekularer Drähte in elektronischen Bauteilen denkbar. Die Ergebnisse der Forschungsteams erschienen in der Zeitschrift Physical Review Letters.

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.


An die Spitze des Rastertunnelmikroskops setzte Torben Jasper-Tönnies ein einzelnes Atom und konnte damit einen molekularen Draht an einen Stromkreis anschließen.

Foto: Siekmann/CAU


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.

Foto: Siekmann/CAU

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:

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-330-1.jpg
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

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-330-2.png
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

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-330-3.png
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

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text/Redaktion: Julia Siekmann
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni

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

Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics