Durchbruch in der Nanotechnologie

Forscher messen Ladungszustand von Atomen

Durchbruch in der Nanotechnik

Dieser Durchbruch ist laut IBM ein weiterer, wichtiger Fortschritt auf dem Gebiet der Nanoforschung. Im Gegensatz zum RTM, das auf elektrisch leitfähige Proben angewiesen ist, kann das RKM auch für nichtleitende Proben verwendet werden. In der molekularen Elektronik, in der die Verwendung von Molekülen als funktionale Bausteine in zukünftigen Schaltkreisen und Prozessoren erforscht wird, werden nichtleitende Trägersubstanzen (Substrate) benötigt. Deshalb würde bei solchen Experimenten bevorzugt die Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz kommen.

“Das Rasterkraftmikroskop mit einer Messgenauigkeit von einer Elektronenladung ist hervorragend dazu geeignet, den Ladungstransfer in Molekülkomplexen zu untersuchen, was uns wertvolle, neue Erkenntnisse und physikalische Grundlagen liefern könnte und zudem eines Tages zu neuen Bauelementen in der Informationstechnologie führen könnte”, erklärt Gerhard Meyer, der die Forschung im Bereich Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie am IBM Forschungslabor Zürich leitet. Computerbausteine auf der molekularen Skala haben das Potenzial, um Größenordnungen kleiner, schneller und auch energieeffizienter zu sein als heutige Transistoren und Speicherbausteine.

Für zukünftige Experimente können sich die Forscher vorstellen, Verbindungen aus einzelnen metallischen Atomen und Molekülen herzustellen, diese mit Elektronen zu laden und deren Verteilung direkt mit dem RKM zu messen. IBM Forscher Leo Gross weist auch auf die Bedeutung ihrer Arbeit für andere Bereiche hin: „Ladungszustand und -verteilung sind kritische Größen in der Katalyse und bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Das Abbilden der Ladungsverteilung auf atomarer Skala könnte zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Abläufe auf diesen Gebieten führen.“

Für zukünftige Experimente: Die Forscher glauben, Verbindungen aus einzelnen metallischen Atomen und Molekülen herstellen zu können, diese mit Elektronen zu laden und deren Verteilung direkt mit dem RKM zu messen. (Quelle: IBM)
Für zukünftige Experimente: Die Forscher glauben, Verbindungen aus einzelnen metallischen Atomen und Molekülen herstellen zu können, diese mit Elektronen zu laden und deren Verteilung direkt mit dem RKM zu messen. (Quelle: IBM)

Die jüngsten Ergebnisse schließen sich einer Reihe grundlegender wissenschaftlicher Durchbrüche an, die IBM Forschern in den letzten Jahren gelungen sind: 2008 gelang es Wissenschaftlern am IBM Almaden Research Center in Kalifornien mit einem qPlus-RKM erstmals die Kraft zu messen, die benötigt wird, um ein Atom auf einer Oberfläche zu verschieben. Dies bahnte den Weg für die aktuellen Experimente. 2007 demonstrierte das Team um Gerhard Meyer am IBM Forschungslabor Zürich ein Molekül, das kontrolliert zwischen zwei Zuständen geschaltet werden konnte, ohne Veränderung seiner äußeren Form. Schon 2004 war der gleichen Gruppe ein Experiment gelungen, in dem sie gezielt den Ladungszustand eines einzelnen Goldatoms mit einem RTM manipulieren konnte. Indem sie Spannungspulse an die RTM-Spitze anlegten, konnten die Forscher ein zusätzliches Elektron auf ein einzelnes Atom, das sich auf einem isolierenden Substrat befand, aufbringen. Dieses negativ geladene Atom blieb stabil bis mittels der RTM-Spitze ein entsprechender Spannungspuls mit umgekehrtem Vorzeichen erfolgte. Diese Methode verwendeten die Forscher auch in ihren aktuellen Experimenten, um die einzelnen Atome zu laden. (mec)