IBM-Wissenschaftler messen das Energieniveau einzelner Moleküle auf Isolatoren

Shadi Fatayer , ein Pre-Doc bei IBM Research und der Erstautor des Artikels

Unser Verständnis von Einzelmolekülelektronik ist klarer geworden und die Antwort beinhaltet die Verwendung eines gewöhnlichen Haushaltsgegenstands – Salz.

Aufbauend auf einer früheren Veröffentlichung aus dem Jahr 2009, in der IBM-Wissenschaftler und Mitarbeiter die Fähigkeit demonstrierten, den Ladungszustand einzelner Atome mit berührungsloser Rasterkraftmikroskopie (AFM) zu messen, sind sie nun noch einen Schritt weiter gegangen und haben die Energieniveaus einzelner Moleküle auf Isolatoren, zum ersten Mal. Die Forschung erscheint heute im Peer-Review-Journal Nature Nanotechnology .

Das Mitte der 1980er Jahre erfundene Rasterkraftmikroskop misst winzige Kräfte zwischen der Spitze und der Probe, etwa einem Molekül auf einem Träger. Die Spitze ist ein vielseitiges, präzises Instrument, das Moleküle mit beispielloser Auflösung abbilden und sogar noch nie zuvor gesehene molekulare Reaktionen auslösen kann.

Skalierende Elektronik

Funktionsdichte Theorieanalyse von Naphthalocyanin auf NaCl(5 ML). 2D-Konturdiagramm der berechneten Ladungsdichtedifferenz zwischen NPc+ und NPc0, integriert nach außen von der molekularen Geo+ Geo+ Ebene in den Vakuumbereich. (Quelle:Nature Nanotechnology)

Wenn Sie jemals ein elektronisches Gerät wie einen PC oder sogar einen digitalen Wecker geknackt haben, haben Sie eine sogenannte Leiterplatte (PCB) entdeckt. Diese typisch grünen Tafeln sehen aus wie Karten, die alle elektronischen Komponenten des Geräts zeigen, einschließlich der sogenannten Leiterbahnen. Diese Gleise führen wie Eisenbahnschienen elektrischen Strom über die gesamte Platine, damit das Gerät betrieben werden kann. Die Platten enthalten auch Isolierschichten, die die Leiterbahnen vor Stromleckagen abschirmen. Ohne diese Schichten würden selbst kleine elektronische Geräte mehr Energie für den Betrieb benötigen.

Bei der Auswertung der Grundbausteine ​​desselben PCs oder derselben Uhr, jedoch in der molekularen Elektronik, würden wir einen ähnlichen Aufbau mit einzelnen Molekülen als Leiterbahnen und einzelnen Elektronen, die von den Molekülen übertragen werden, sehen. Während die Isolierschicht auf der Leiterplatte hilfreich ist, hat das ähnliche darunter liegende Isoliersubstrat in dieser Größenordnung weitere Auswirkungen, die berücksichtigt werden müssen.

„Beim Aufladen eines Moleküls auf einen Isolator entspannen sich die Atome im Molekül, um diese zusätzliche Ladung aufzunehmen, und ebenso wichtig sind die Kerne im Isolator. Da sich das Molekül auf einem Isolator befindet, ist die elektronische Charakterisierung eines solchen Systems sehr schwierig.“ sagte Shadi Fatayer, ein Pre-Doc bei IBM Research und der erste Autor des Papiers.

Er fügt hinzu:„Diese Änderung der Position der Atome beeinflusst ihr Energieniveau, was drastische Auswirkungen auf die Übertragung eines einzelnen Elektrons zwischen Molekülen hat. Die Transferrate von Elektronen könnte so eingestellt werden, dass sie um mehrere Größenordnungen variiert.“

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Das Team von Wissenschaftlern von IBM, University of Liverpool, Chalmers University und University of Regensburg hat einen anderen Ansatz versucht, um dieses Problem anzugehen.

Sie züchteten zunächst mehrere Schichten von NaCl, auch als Natriumchlorid oder Salz bekannt, die als Isoliermaterial dienen, auf einem Metallsubstrat. Ein solches System ermöglicht, dass die oben absorbierten Moleküle ihre Ladungszustände stabil und von der Metalloberfläche entkoppelt haben.

Dann überlegte das Team:„Wie messen wir Reorganisationsenergien?“ Experimentell geschieht dies mit Molekülen in Lösung, mit Molekülen auf einem Metall, aber bis jetzt gab es keine Technik, die es erlaubte, einzelne Moleküle auf einem Isolator zu untersuchen.

Ihr einzigartiger Ansatz besteht darin, das AFM und einzelne Elektronen einzusetzen. Einzelne Elektronen werden verwendet, um Ladungszustandsübergänge von zwei definierten Ladungszuständen in beide Richtungen zu untersuchen. In dem Experiment testen die Wissenschaftler ihre Methode an einem einzelnen Naphthalocyanin-Molekül.

IBM-Forscher Shadi Fatayer, Leo Gross und Gerhard Meyer in ihrem Labor.

Wie bereits zuvor veröffentlicht, wussten die Autoren, dass sie mit dem AFM zuverlässig verschiedene Ladungszustände auf einem ultradünnen Isolator mit Einzelelektronenempfindlichkeit messen können. Sie demonstrierten kürzlich auch die Bildgebung stabil geladener Moleküle sowie die Übertragung einzelner Elektronen zwischen Molekülen auf einem dickeren Isolator. Um Reorganisationsenergien messen zu können, müssen jedoch die Energieniveaus gemessen werden, die bestimmten Ladungszustandsübergängen entsprechen.

„Vor dieser Arbeit wussten wir, wie man den elektrischen Strom durch das Molekül misst. Dies funktionierte jedoch nur in eine Richtung für ein bestimmtes Orbital. Wenn wir die Energie messen könnten, um ein Elektron an ein bestimmtes Orbital zu binden, könnten wir niemals die Energie messen, um ein Elektron aus diesem Orbital zu entfernen und umgekehrt. Die Möglichkeit, in beide Richtungen zu messen – das fehlte“, sagt IBM-Physiker Leo Gross. „Mit unserer AFM-Methode messen wir die Energieniveaus in beiden Richtungen der Ladungszustandsänderung auf einem Dünnschichtsubstrat. Aber es ist unglaublich anspruchsvolle Arbeit, die mit sehr schwachen Signalen umgeht, was bedeutet, dass viele sorgfältige Messungen erforderlich sind, um eine ordnungsgemäße statistische Analyse durchzuführen.“

Er fügt hinzu:„Mit dieser neuen Methode verwenden wir die Spitze und die auf die Spitze ausgeübte Kraft, um einzelne Elektronen zu zählen. Wir passen die Spitzenhöhe und -spannung an und zählen dann, wie lange es dauert, bis das eine Elektron zur (oder von) der Spitze gelangt, und daraus können Sie die Energieniveaus erhalten.“

„Unsere größte Herausforderung bestand darin, dass die Spitze weiter entfernt war als normal, um Tunnelereignisse angemessen zu messen“, fügt Fatayer hinzu. „Die sehr schwachen Kräfte, die wir gemessen haben, sind mit Strömen in der Zepto-Ampere-Skala verbunden – das sind 10 bis minus 21 (10 ^{− 21} ). Die meisten Physiker brauchen dieses Präfix nie zu verwenden, aber wir tun es, indem wir alle paar Sekunden ein Elektron messen. Wir verwenden das AFM buchstäblich als Ein-Elektronen-Strommessgerät.“

Obwohl es sich um sehr grundlegende Forschung handelt, reichen die Anwendungen von elektronischen Geräten, beispielsweise zur Charakterisierung von Defekten in Chips, bis hin zu Photovoltaik und organischen Halbleitern.

Reorganisationsenergie beim Laden eines einzelnen Moleküls auf einem Isolator, gemessen mit Rasterkraftmikroskopie,  Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson und Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1