Bessere Kontrolle über molekulare Lichtschalter

Forschende am Fritz-Haber-Institut in Berlin haben eine innovative Entdeckung in der nanoskaligen Opto­elektronik gemacht. Sie entwickelten eine neue Methode, um eine beispiellose Kontrolle über das Photoschalten einzelner Moleküle zu erreichen. Dieser Durchbruch könnte die Zukunft der Nano­technologie revo­lutionieren. Die nanoskalige Opto­elektronik ist ein schnell fort­schreitendes Feld, das sich auf die Entwicklung elektronischer und photonischer Geräte im Nanometer­bereich konzentriert. Diese winzigen Geräte haben das Potenzial, die Techno­logie zu revolutionieren, indem sie Komponenten schneller, kleiner und energie­effizienter machen.

Eine präzise Kontrolle über Photoreaktionen auf atomarer Ebene ist entscheidend für die Verkleinerung und Optimierung dieser Geräte. Lokalisierte Oberflächen­plasmonen (LSPs), also Lichtwellen, die auf nanoskaligen Material­oberflächen erzeugt werden, haben sich in diesem Bereich als leistungs­starke Werkzeuge erwiesen, die elektro­magnetische Felder konzentrieren und verstärken können. Bisher war die Anwendung von LSPs haupt­sächlich auf metallische Strukturen beschränkt, was das Team als Einschränkung für die Verkleinerung der Opto­elektronik vorhersagte. Der neue Ansatz konzentriert sich auf die Nutzung von LSPs, um chemische Reaktionen auf atomarer Ebene zu steuern. 

Das Team hat die Funk­tionalität von LSPs erfolgreich auf Halbleiter­plattformen ausgeweitet. Durch die Verwendung einer plasmon­resonanten Spitze in einem Tieftemperatur-Rastertunnel­mikroskop ermöglichten sie das reversible Anheben und Absenken einzelner organischer Moleküle auf einer Silizium­oberfläche. Der LSP an der Spitze induziert das Brechen und Bilden spezifischer chemischer Bindungen zwischen dem Molekül und dem Silizium, was zu einem reversiblen Schalten führt. Die Schalt­geschwindigkeit kann durch die Position der Spitze mit außergewöhnlicher Präzision bis zu einem hundertstel Nanometern eingestellt werden. Diese präzise Mani­pulation ermöglicht reversible Änderungen zwischen zwei verschiedenen molekularen Konfi­gurationen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Durchbruchs ist die Einstell­barkeit der opto­elektronischen Funktion durch molekulare Modi­fikation auf atomarer Ebene. Das Team bestätigte, dass das Photo­schalten für ein anderes organisches Molekül gehemmt ist, bei dem nur ein Sauerstoffatom, das nicht an Silizium bindet, durch ein Stickstoff­atom ersetzt wurde. Diese chemische Anpassung ist entscheidend für die Abstimmung der Eigenschaften von Einzel­molekül-Opto­elektronikgeräten und ermöglicht das Design von Komponenten mit spezifischen Funktionen, was den Weg für effizientere und anpassungs­fähigere nano-opto­elektronische Systeme ebnet.

Diese Forschung adressiert ein kritisches Hindernis bei der Weiter­entwicklung nanoskaliger Geräte, indem sie eine Methode zur präzisen Kontrolle der Reaktions­dynamik einzelner Moleküle bietet. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Metall-Einzel­molekül-Halbleiter-Nano­übergänge als vielseitige Plattformen für die nächste Generation der Nano-Opto­elektronik dienen könnten. Dies könnte bedeutende Fortschritte in den Bereichen Sensoren, Leuchtdioden und Photo­voltaikzellen ermöglichen. Die präzise Manipulation einzelner Moleküle unter Licht könnte die Entwicklung dieser Techno­logien erheblich beeinflussen und breitere Fähig­keiten und Flexi­bilität im Gerätedesign bieten.

FHI / JOL