Neue Ansteuerung für Rastertunnelmikroskope entwickelt

Das Bewegen von einzelnen Atomen und Molekülen mit dem Rastertunnelmikroskop ist längst wissenschaftliche Routine. Doch größere Molekülverbünde ließen sich bisher kaum gezielt bearbeiten. Wissenschaftler um Matthew Green vom Forschungszentrum Jülich haben nun eine neue Ansteuerung für Rastertunnelmikroskope entwickelt, die es ihnen ermöglicht, einzelne große Moleküle gewissermaßen per Hand zu verschieben. Das Verfahren eröffne neue Möglichkeiten für die Konstruktion von molekularen Transistoren und anderen Nanobauteilen, so das Team in der Fachzeitschrift „Beilstein Journal of Nanotechnology“.

Aus 47 Molekülen entsteht der Schriftzug "Jülich".
Schriftzug aus nur 47 Molekülen

In ihren Experimenten koppelten die Wissenschaftler die Hand eines Teammitglieds mittels Bewegungserkennung direkt mit dem Rastertunnelmikroskop. Mit der Mikroskopspitze konnten sie die Moleküle anheben und wieder absetzen wie mit einem Kran. Mit einer Übersetzung von 500 Millionen zu Eins werden die groben menschlichen Bewegungen dabei in atomare Dimensionen übertragen: Eine Verschiebung der Hand um fünf Zentimeter bewirkt beispielsweise, dass sich die feine Spitze des Rastertunnelmikroskops um nur 10-10 Meter über die Probe bewegt. Das entspricht der typischen Größenordnung von Atomradien und Bindungslängen in Molekülen. Zu Testzwecken Green und seine Kollegen einen winzigen Schriftzug entstehen, indem sie gezielt 47 Moleküle aus einer einlagigen Schicht Perylentetracarbonsäuredianhydrid entfernten. Bei diesem Material handelt es sich um einen organischen Halbleiter, der eine wichtige Rolle bei der Entwicklung organischer Elektronik spielt, mit der sich etwa biegsame Bauelemente realisieren lassen.

Die interaktive Vorgehensweise ermögliche es insbesondere, betonen die Wissenschaftler, Moleküle kontrolliert zu verschieben, die sich in größeren zusammenhängenden Strukturen befinden. Das war bisher problematisch, 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. „In Zukunft soll ein selbstlernender Computer die aufwendige Molekülmanipulation übernehmen. Die für dieses Projekt notwendige Intuition für Nanomechanik gewinnen wir jetzt durch unsere neuartige Steuerung und sprichwörtlich in Handarbeit“, so Koautor Christian Wagner, ebenfalls vom Forschungszentrum Jülich.

Weltweit suchen Forschergruppen nach einer Technik, mit der sich einzelne Moleküle frei zu komplexen Strukturen zusammenfügen lassen. Ein solches Bausteinsystem für die Nanotechnologie gilt als Voraussetzung für die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile der nächsten Generation.