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Molekül unter Strom

Von Rainer Scharf

Die elektronischen Schaltkreise der Zukunft wird man vielleicht aus einzelnen Molekülen zusammenknüpfen. Doch zuvor muss man untersuchen, wie ein einzelnes Molekül den elektrischen Strom leitet. Das haben jetzt Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe gemacht und dabei Überraschungen erlebt. So fließt der Strom durch manche Molekülketten in eine Richtung besser als in die andere.

Zunächst mussten Heiko Weber, Marcel Mayor und ihre Kollegen ein 2 Nanometer (Millionstel Millimeter) langes Molekül an zwei elektrische Kontakte anschließen - keine einfache Aufgabe! Dazu stellten sie eine winzige Brücke (s. Abb. 1) aus einem 50 Nanometer dicken Goldfilm her, die sie an der dünnsten Stelle durchbrachen. Die dabei entstehenden Goldspitzen brachten sie zunächst auf einen Abstand von 10 Nanometer. Dann gaben sie die zu untersuchenden Moleküle in ein Lösungsmittel und träufelten dieses auf den Spalt zwischen den Goldspitzen. Die Moleküle blieben mit ihrem einen Ende an einer der Goldspitzen hängen und gingen eine chemische Verbindung mit dem Gold ein.

Die Forscher schoben die Spitzen langsam zusammen und maßen währenddessen den elektrischen Widerstand zwischen ihnen. Zunächst schwankte der Widerstand heftig. Doch plötzlich hörten die Schwankungen auf: Das erste Molekül hatte den Spalt überbrückt, indem es sich mit seinem freien Ende an der anderen Goldspitze festgesetzt hatte. Jetzt konnten die Messungen beginnen.

Wurde an die Goldspitzen eine Spannung von 1 Volt angelegt, so floss durch das Molekül ein Strom von etwa 1 Mikroampere. Auf ein millimeterdickes Stromkabel hochgerechnet entspräche dies einer Stromstärke von mehreren Millionen Ampere!

Die Forscher benutzten bei ihren Experimenten sowohl symmetrische als auch asymmetrische Moleküle (s. Abb. 2), deren chemische Strukturen sich nur geringfügig unterschieden. Anders die elektrischen Eigenschaften: Wie sich herausstellte, leiteten die asymmetrischen Moleküle den Strom in eine Richtung besser als in die andere. Bei den symmetrischen Molekülen hingegen war die Leitfähigkeit zumeist in beide Richtungen gleichgut. Doch bisweilen war auch bei ihnen eine Vorzugsrichtung zu beobachten. Dies lag vermutlich daran, dass beide Enden des Moleküls in unterschiedlicher Weise an die Oberflächenatome der Goldspitzen gebunden waren. Dies führte zu einer asymmetrischen Verteilung der Elektronen auf dem symmetrischen Molekül und gab ihm dadurch eine Vorzugsrichtung.

Die Experimente der Karlsruher Forscher zeigen, dass man beim Aufbau molekularer Schaltkreise besonders darauf wird achten müssen, wie die Moleküle und die Elektroden miteinander verknüpft sind. Schon ein einzelnes falsch platziertes Atom könnte weitreichende Folgen haben. 

Quelle
J. Reichert et al. Driving Current through Single Organic Molecules. Phys. Rev. Lett. 88, 176804 (2002).
http://link.aps.org/abstract/PRL/v88/e176804

Weitere Informationen
Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Nanotechnologie
http://www.fzk.de/int/

Kontakt
Marcel Mayor: (07247) 82-6392; Marcel.Mayor@int.fzk.de
Heiko Berthold Weber: (07247) 82-6376; Heiko.Weber@int.fzk.de

pro-physik.de v. 22.4.2002

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