Neue Methode in der Rastertunnelmikroskopie: Jülicher Forscher bilden Schriftzug aus 47
Molekülen
Jülich (forschungszentrum) - Jülicher Wissenschaftler haben eine neue Ansteuerung für Rastertunnelmikroskope
entwickelt, die es ihnen ermöglicht, einzelne große Moleküle interaktiv mit der Hand zu verschieben.
Bisher waren nur simple, starr programmierte Bewegungen möglich. Zum Test haben die Forscher aus einer einlagigen
Molekülschicht einen Schriftzug herausgetrennt, der aus gerade einmal 47 Molekülen besteht. Das Verfahren
eröffnet grundlegend neue Möglichkeiten für die Konstruktion von molekularen Transistoren und anderen
Nano-Bauteilen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Beilstein Journal of Nanotechnology erschienen.
"Mit dem Verfahren lassen sich erstmalig auch große organische Moleküle kontrolliert aus zusammenhängenden
Strukturen herausgreifen und neu platzieren", erläutert Dr. Ruslan Temirov vom Jülicher Peter Grünberg
Institut. Damit sind die Wissenschaftler einen Schritt weiter gekommen bei der Suche nach einer Technik, mit der
sich einzelne Moleküle frei zu komplexen Strukturen zusammenfügen lassen. Ein solches Bausteinsystem
für die Nanotechnologie wird von Forschergruppen weltweit verfolgt und gilt als entscheidende Voraussetzung
für die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile der nächsten Generation.
Mittels Bewegungserkennung haben die Wissenschaftler der von Temirov geleiteten Nachwuchsgruppe die Hand des Operators
direkt mit dem Rastertunnelmikroskop gekoppelt. Mit dessen Spitze lassen sich die Moleküle anheben und wieder
absetzen wie mit einem Kran. Mit einer Übersetzung von Fünfhundert Millionen zu Eins werden die groben
menschlichen Bewegungen dabei in atomare Dimensionen übertragen. "Eine Verschiebung der Hand um fünf
Zentimeter bewirkt, dass sich die feine Spitze des Rastertunnelmikroskops gerade einmal um einen Angström
über die Probe bewegt. Das entspricht der typischen Größenordnung von Atomradien und Bindungslängen
in Molekülen", erklärt Ruslan Temirov.
Die Steuerung braucht allerdings etwas Übung. "Der erste Versuch, ein Molekül abzulösen, dauerte
noch 40 Minuten. Danach waren es nur noch um die 10 Minuten", berichtet Matthew Green. Insgesamt vier Tage
brauchte der Doktorand, um 47 Moleküle zu entfernen und damit das Wort "JÜLICH" in eine einlagige
Schicht Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) zu schreiben. Dabei handelt es sich um einen organischen
Halbleiter, der eine wichtige Rolle spielt bei der Entwicklung organischer Elektronik, mit der sich etwa biegsame
Bauelemente oder günstige Einweg-Chips zum Aufdrucken realisieren lassen, die mit konventioneller Silizium-Technologie
undenkbar sind.
Sogar kleine "Schreibfehler" ließen sich mit der neuen Methode problemlos korrigieren. Ein versehentlich
herausgegriffenes Molekül beim Querstrich des "H" konnte Green einfach durch ein neues Molekül
ersetzen, das er vom Rand der Schicht abgelöst hatte. "Genau hier zeigt sich der Vorteil der Methode.
Der Experimentator kann in den Vorgang eingreifen und nach einer Lösung suchen, wenn sich ein Molekül
versehentlich löst oder ungeplant wieder an seine ursprüngliche Position zurückspringt", so
der Physiker.
Die interaktive Vorgehensweise ermöglicht es insbesondere, Moleküle kontrolliert zu verschieben, die
sich in größeren zusammenhängenden Strukturen befinden. Im Gegensatz zu einzelnen Atomen und Molekülen,
deren Bewegung mit dem Rastertunnelmikroskop längst wissenschaftliche Routine ist, ließen sich solche
größere Molekülverbünde bisher kaum gezielt bearbeiten. Denn die Bindungskräfte von Molekülen,
die ringsum an ihre Nachbarmoleküle gebunden sind, lassen sich kaum exakt vorhersagen. Erst während des
Experiments zeigt sich daher, welche Kraft zum Ablösen nötig ist und über welchen Pfad sich das
Molekül ohne Komplikationen entfernen lässt.
Die gesammelten Erfahrungen sollen dazu beitragen, die zeitraubenden Arbeitsschritte zu erleichtern. "In Zukunft
soll ein selbstlernender Computer die aufwendige Molekül-Manipulation übernehmen. Die für dieses
Projekt notwendige Intuition für Nano-Mechanik gewinnen wir jetzt durch unsere neuartige Steuerung und sprichwörtlich
in Handarbeit", so Dr. Christian Wagner, der ebenfalls der Jülicher Arbeitsgruppe angehört.
Originalpublikation:
Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope Matthew F. B.
Green, Taner Esat, Christian Wagner, Philipp Leinen, Alexander Grötsch, F. Stefan Tautz, Ruslan Temirov Beilstein
J. Nanotechnol. 2014, 5, 1926–1932. published 31 Oct 2014 DOI: 10.3762/bjnano.5.203
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