Neue Methode in der Rastertunnelmikroskopie: Forscher bilden Schriftzug aus 47 Molekuelen

(Nanowerk News) J├╝licher Wissenschaftler haben eine neue Ansteuerung f├╝r Rastertunnelmikroskope entwickelt, die es ihnen erm├Âglicht, einzelne grosse Molek├╝le interaktiv mit der Hand zu verschieben. Bisher waren nur simple, starr programmierte Bewegungen m├Âglich. Zum Test haben die Forscher aus einer einlagigen Molek├╝lschicht einen Schriftzug herausgetrennt, der aus gerade einmal 47 Molek├╝len besteht. Das Verfahren er├Âffnet grundlegend neue M├Âglichkeiten f├╝r die Konstruktion von molekularen Transistoren und anderen Nano-Bauteilen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Beilstein Journal of Nanotechnology erschienen ("Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope").
Schriftzug aus nur 47 Molek├╝len
Schriftzug aus nur 47 Molek├╝len (Quelle: Forschungszentrum J├╝lich)
"Mit dem Verfahren lassen sich erstmalig auch grosse organische Molek├╝le kontrolliert aus zusammenh├Ąngenden Strukturen herausgreifen und neu platzierenÔÇť, erl├Ąutert Dr. Ruslan Temirov vom J├╝licher Peter Gr├╝nberg Institut. Damit sind die Wissenschaftler einen Schritt weiter gekommen bei der Suche nach einer Technik, mit der sich einzelne Molek├╝le frei zu komplexen Strukturen zusammenf├╝gen lassen. Ein solches Bausteinsystem f├╝r die Nanotechnologie wird von Forschergruppen weltweit verfolgt und gilt als entscheidende Voraussetzung f├╝r die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile der n├Ąchsten 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 Molek├╝le anheben und wieder absetzen wie mit einem Kran. Mit einer ├ťbersetzung von F├╝nfhundert Millionen zu Eins werden die groben menschlichen Bewegungen dabei in atomare Dimensionen ├╝bertragen. "Eine Verschiebung der Hand um f├╝nf Zentimeter bewirkt, dass sich die feine Spitze des Rastertunnelmikroskops gerade einmal um einen Angstr├Âm ├╝ber die Probe bewegt. Das entspricht der typischen Gr├Âssenordnung von Atomradien und Bindungsl├Ąngen in Molek├╝lenÔÇť, erkl├Ąrt Ruslan Temirov.
Die Steuerung braucht allerdings etwas ├ťbung. "Der erste Versuch, ein Molek├╝l abzul├Âsen, dauerte noch 40 Minuten. Danach waren es nur noch um die 10 MinutenÔÇť, berichtet Matthew Green. Insgesamt vier Tage brauchte der Doktorand, um 47 Molek├╝le zu entfernen und damit das Wort "J├ťLICHÔÇť in eine einlagige Schicht Perylentetracarbons├Ąuredianhydrid (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 g├╝nstige Einweg-Chips zum Aufdrucken realisieren lassen, die mit konventioneller Silizium-Technologie undenkbar sind.
Sogar kleine "SchreibfehlerÔÇť liessen sich mit der neuen Methode problemlos korrigieren. Ein versehentlich herausgegriffenes Molek├╝l beim Querstrich des "HÔÇť konnte Green einfach durch ein neues Molek├╝l ersetzen, das er vom Rand der Schicht abgel├Âst hatte. "Genau hier zeigt sich der Vorteil der Methode. Der Experimentator kann in den Vorgang eingreifen und nach einer L├Âsung suchen, wenn sich ein Molek├╝l versehentlich l├Âst oder ungeplant wieder an seine urspr├╝ngliche Position zur├╝ckspringtÔÇť, so der Physiker.
Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope
Verschlungener Weg nach draussen: viele, anfangs sehr ├Ąhnlich Wege erm├Âglichen es ein Molek├╝l aus der Schicht zu entfernen, wie diese Aufzeichnung der erfolgreichen Durchg├Ąnge zeigt. (Quelle: Forschungszentrum J├╝lich)
Die interaktive Vorgehensweise erm├Âglicht es insbesondere, Molek├╝le kontrolliert zu verschieben, die sich in gr├Âsseren zusammenh├Ąngenden Strukturen befinden. Im Gegensatz zu einzelnen Atomen und Molek├╝len, deren Bewegung mit dem Rastertunnelmikroskop l├Ąngst wissenschaftliche Routine ist, liessen sich solche gr├Âssere Molek├╝lverb├╝nde bisher kaum gezielt bearbeiten. Denn die Bindungskr├Ąfte von Molek├╝len, die ringsum an ihre Nachbarmolek├╝le gebunden sind, lassen sich kaum exakt vorhersagen. Erst w├Ąhrend des Experiments zeigt sich daher, welche Kraft zum Abl├Âsen n├Âtig ist und ├╝ber welchen Pfad sich das Molek├╝l ohne Komplikationen entfernen l├Ąsst.
Die gesammelten Erfahrungen sollen dazu beitragen, die zeitraubenden Arbeitsschritte zu erleichtern. "In Zukunft soll ein selbstlernender Computer die aufwendige Molek├╝l-Manipulation ├╝bernehmen. Die f├╝r dieses Projekt notwendige Intuition f├╝r Nano-Mechanik gewinnen wir jetzt durch unsere neuartige Steuerung und sprichw├Ârtlich in HandarbeitÔÇť, so Dr. Christian Wagner, der ebenfalls der J├╝licher Arbeitsgruppe angeh├Ârt.
Source: Forschungszentrum Juelich
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