15.11.09 Messung der Leitfähigkeit zwischen diskreten Fullerenen

Moleküle fest im Griff

Elektrischer Strom durch einen molekularen Kontakt gemessen

Dank der ständig voranschreitenden Miniaturisierung elektrischer Bauteile konnte die Leistungsfähigkeit moderner Elektronik bislang kontinuierlich gesteigert werden. Allerdings treten schwierige Hürden bei dem Versuch auf, die winzigen Strukturen im Nanometerbereich weiter zu verkleinern. Zum ersten Mal gelang es nun einer europaweiten Kooperation von Forschern, aus zwei Molekülen einen Stromkreis zu konstruieren und dessen elektrische Eigenschaften zu untersuchen.

Abb. 1: Rechts: Aufnahme mit Rastertunnelelektronenmikroskop einer Oberfläche von C60-Molekülen (unten) sowie vier Gold-Atomen (a) und eines Goldclusters (b). Links: Dasselbe Bild mit einem an die Probenspitze gehefteten C60-Molekül zeigt deutlich mehr Details.
Quelle: Physical Review Letters

Die Wissenschaftler verwendeten fußballförmige C60-Moleküle, die einen milliardstel Meter Durchmesser haben und aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften großes Potenzial für technische Anwendungen in der Materialwissenschaft und der Nanotechnologie bergen.

Zunächst hoben die Wissenschaftler eines der Moleküle mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops an. Danach bewegten sie es mit einer Präzision von wenigen billiardstel Metern auf ein zweites Molekül zu. Während der Annäherung gelang es den Physikern, den elektrischen Stromfluss zwischen den beiden Molekülen zu messen. Das Verständnis dieses Stroms, der stark von dem Abstand zwischen den Molekülen abhängt, ist für zukünftige molekülbasierte Elektronik unabdingbar.

Abb. 2: Zwei C60-Moleküle in Kontakt (grau). Auf beiden Seiten sind Elektroden zur Strommessung angebracht. Da die Moleküle nur einen milliardstel Meter durchmessen, ist eine extrem hohe Präzision von wenigen billiardstel Metern nötig, um sie kontrolliert zu positionieren. Während der Annäherung untersuchten die Wissenschaftler den Stromfluss durch beide Moleküle.
Quelle: Physical Review Letters

Die Untersuchung zeigt, dass die Leitfähigkeit zwischen den sich berührenden Molekülen hundertmal geringer ist als für ein einzelnes C60-Molekül und daher nur ein schwacher Strom fließt. Dieses Resultat ist extrem wichtig für neuartige Nanoelektronik, bei der Moleküle dicht gepackt angeordnet sein werden. Denn ungewollte Kurzschlüsse zwischen benachbarten Schaltkreisen könnten mit Hilfe der Moleküleigenschaften unter Kontrolle gebracht werden. Zusätzlich durchgeführte quantenmechanische Berechnungen stehen mit den experimentellen Resultaten im Einklang und sagen ebenfalls eine nur geringe Leitfähigkeit zwischen den Molekülen vorher.

Das neu gewonnene Verständnis des elektrischen Stromflusses auf der Nanometerskala ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung von molekularer Elektronik. Zudem eröffnet die von den Forschern vorgeführte extreme Präzision der Manipulation und Kontrolle von einzelnen Molekülen neue Wege zur Erforschung möglicher nanoelektronischer Bauteile.

Quelle:

Passing Current through Touching Molecules
G. Schull, et. al., Phys. Rev. Lett. 2009, DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.206803

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Messung der Leitfähigkeit zwischen diskreten Fullerenen
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2009/nov/leitfaehigkeit.shtm)

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