Kleinste elektrische Kontakte

Einem Forscherteam um Jörg Kröger, Leiter des Fachgebietes Experimental­physik der TU Ilmenau, ist es in enger Zusammen­arbeit mit theoretischen Physikern der Tech­nischen Universität Dänemark gelungen, strom­induzierte Kräfte in einem Kontakt aus genau zwei C₆₀-Molekülen nachzuweisen. Die erzielten weltweit einzig­artigen Ergebnisse sind bedeutsam für das grundlegende Verständnis kleinster elek­trischer Kontakte und damit ihre Anwendung in minia­turisierten elektronischen Bau­elementen.

Die strom­induzierten Kräfte treten deutlich hervor, wenn die Moleküle im Begriff sind, eine chemische Bindung einzugehen. Damit repräsentiert diese Arbeit den weltweit ersten eindeutigen Nachweis von strom­induzierten Kräften in einem molekularen Kontakt. Neben der theoretischen Unterstützung liegt der Erfolg der Arbeit darin begründet, dass die Experimentatoren den in den Simulationen verwendeten Kontakt aus zwei C₆₀-Molekülen und Kupfer-Elektroden durch Mani­pulationen auf atomarer Skala nachgebildet haben. Dieser im Experiment erreichte Modellcharakter des Kontakts erlaubt einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen der komplexen Transport­rechnungen und den erzielten experi­mentellen Ergeb­nissen.

Bei der chemischen Bindung zweier Moleküle bilden sich bindende und antibindende Orbitale aus. Die Stärke der Bindung wird von der Besetzung dieser Orbitale mit Elektronen bestimmt. An dieser Stelle setzt die Motivation für die deutsch-dänische Zusammen­arbeit an. Ein elektrischer Strom durch einen molekularen Kontakt wird über Orbitale geleitet. Dabei werden bindende und antibindende Orbitale abweichend vom Gleich­gewicht der chemischen Bindung ohne Strom besetzt. Die Bindung könnte also gelockert oder gestärkt, die Kraft zwischen den Molekülen abstoßend oder anziehend ausfallen. Im Einklang mit den theo­retischen Vorhersagen fanden die Forscher eine anziehende Kraft zwischen den C₆₀-Molekülen bei Stromfluss, unabhängig von der Polung der Spannungs­quelle. Kurz: Bringt man die Besetzung der an der Bindung beteiligten Orbitale durch Stromleitung aus dem Gleichgewicht, dann ersteht eine attraktive Wechsel­wirkung zwischen den Bindungs­partnern. 

Für makro­skopische elektrische Kontakte ist schon lange das Phänomen der Elektro­migration bekannt, bei dem ein elektrischer Strom über die Grenzfläche aus zwei unter­schiedlichen Materialien eine unerwünschte Durch­mischung der Materialien hervorruft. Man deutet die Elektro­migration mit Hilfe des Impuls­übertrags der strom­tragenden Elektronen auf die Atome der Materialien und spricht häufig von der Wirkung des Elektronen­windes auf die Atom­positionen. Das Analogon zum Elektronen­wind in der molekularen Elektronik, wo Kontakte nur noch aus einzelnen Molekülen oder Atomen bestehen, sind, wie die Arbeit von Jörg Kröger zeigt, Kräfte, die aus der gleichgewichts­fernen Besetzung von Molekül­orbitalen herrühren.

Die Kröger-Gruppe beschäftigt sich seit einigen Jahren mit den Kräften auf atomarer Skala, die häufig im Piko-Newton-Bereich liegen. Dazu wird ein Rasterkraft­mikroskop verwendet, das Kräfte aus Frequenz­änderungen einer schnell schwingenden Sonde ermittelt. Ein prominentes Beispiel ist die Bestimmung von Kräften zum Verschieben einzelner Atome auf Oberflächen, womit wichtige Erkenntnisse zum atomaren Ursprung der Reibung erzielt wurden. Weiter hat sich kürzlich gezeigt, dass der Übergang zwischen van-der-Waals-Anziehung und Pauli-Abstoßung zweier Moleküle von der angelegten Spannung abhängt. 

TU Ilmenau / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Brand et al.: Nonequilibrium Bond Forces in Single-Molecule Junctions, Nano Lett., online 26. September 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02845
• Oberflächenphysik (J. Kröger), Technische Universität Ilmenau
• Center for Nanostructured Graphene, Technische Universität Dänemark DTU, Kongens Lyngby