Versteckter Nanostromschalter: Forschende entdecken Schaltfunktion in molekularem Draht

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.

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, so der Kieler Physiker Torben Jasper-Tönnies. 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.

Um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen, entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den neuen Draht aus einem Molekül. Das Besondere an diesem Draht ist, dass man ihn senkrecht auf eine Metalloberfläche anbringen konnte. Das heißt, einer der beiden nötigen Kontakte ist im Draht gewissermaßen schon eingebaut. 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 wurden besonders gute Daten erreicht. Diese Kontakte können immer wieder herstellt werden und die Stromwerte unterscheiden sich von Draht zu Draht wenig.

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 kann der Strom an- oder ausschalten werden. Obwohl der Draht so einfach aufgebaut ist, verhält er sich sehr komplex.

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 erreicht man über die präzise Kontaktierung des Nanodrahts und über die RTM-Bilder in atomarer Auflösung.

Originalpublikation: 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, doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.066801.

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