IBM-Forscher messen Energieniveaus einzelner Moleküle auf isolierenden Schichten per AFM

In einem heute in Nature Nanotechnology veröffentlichten Durchbruch haben IBM-Wissenschaftler erstmals die Energieniveaus eines einzelnen Moleküls auf einer isolierenden Oberfläche quantifiziert. Dieser Meilenstein bringt uns einen Schritt näher an praktische Einzelmolekül-elektronische Bauelemente.

Hintergrund

Seit den 1980er Jahren ermöglicht das Rasterkraftmikroskop (AFM) Wissenschaftlern, Kräfte in der Größenordnung von Pikonewton zwischen einer scharfen Spitze und einer Probe zu detektieren. 2009 demonstrierten IBM und Kollaborateure, dass Non-Contact-AFM den Ladungszustand einzelner Atome auf einer Oberfläche bestimmen kann. Aufbauend auf dieser Arbeit erweitert die aktuelle Studie die Technik auf einzelne Moleküle auf isolierenden Schichten und überwindet eine langjährige Herausforderung im Feld.

Methodik

Das Team züchtete ultradünne Mehrschichten aus Natriumchlorid (NaCl) – gewöhnliches Speisesalz – auf einem metallischen Substrat. Diese Architektur isoliert das Molekül vom leitenden Metall, sodass sein Ladungszustand stabil bleibt. Mit der AFM-Spitze applizierten die Forscher eine fein abgestimmte Spannung, während sie die winzigen Kräfte aufzeichneten, die entstehen, wenn einzelne Elektronen zwischen Spitze und Molekül tunneln.

Durch Messung der Zeit, die ein Elektron benötigt, um auf das Molekül zu hüpfen oder es zu verlassen – in beide Richtungen –, extrahierten die Wissenschaftler die für jeden Ladungszustandsübergang erforderliche Energie. Die resultierende Reorganisationsenergie – die Energiemenge, die das System aufwenden muss, um eine Ladungsänderung zu akkommodieren – wurde erstmals für ein einzelnes Molekül in dieser Konfiguration gemessen.

Wesentliche Ergebnisse

Die Studie fokussierte auf ein einzelnes Naphthalocyanin (NPc)-Molekül. Die Kraftempfindlichkeit des AFM erreichte den Zeptoampere-Bereich (10^–21 A), was die Detektion eines einzelnen Elektrons alle paar Sekunden ermöglichte. Diese beispiellose Empfindlichkeit erlaubte dem Team, Energieniveaus sowohl für Elektronenzugabe als auch -entzug zu bestimmen, eine Fähigkeit, die in Einzelmolekülstudien zuvor fehlte.

„Die Fähigkeit, Energieniveaus in beide Richtungen zu messen, fehlte zuvor“, sagte IBM-Physiker Leo Gross. „Unsere AFM-Methode lässt uns nun die vollständige Ladungszustandslandschaft eines Moleküls auf einem Isolator kartieren.“

„Die durch Ladung induzierte Änderung der Atompositionen verändert die Energieniveaus signifikant und kann Elektronentransferraten um mehrere Größenordnungen tunen“, fügte Shadi Fatayer, Erstautor der Studie, hinzu.

Implikationen

Diese Erkenntnisse haben weitreichende Implikationen für das Design nanoskaliger elektronischer Komponenten, einschließlich Defektcharakterisierung in Halbleiterchips, photovoltaischer Bauelemente und organischer Halbleiter. Durch das Verständnis, wie einzelne Moleküle mit isolierenden Umgebungen interagieren, können Ingenieure Ladungstransport auf der ultimativen Skala der Bauelementfertigung besser vorhersagen und kontrollieren.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1