Stabile Verankerung von Metallatomen auf einem Isolator bei Zimmertemperatur

Um künftig immer kleinere elektronische Speicher oder Sensoren herzustellen, ist es entscheidend, einzelne Metall­atome auf einer isolierenden Schicht anordnen zu können. Wissen­schaftler der Uni Bielefeld ist dies jetzt bei Zimmer­temperatur gelungen: Moleküle der metall­haltigen Verbindung Molybdän­acetat bilden auf dem Isolator Calcit eine geordnete Struktur, ohne an andere Positionen zu springen oder sich zu drehen.

„Bisher ist es schwierig, Metallatome auf einer Isolator­ober­fläche anzuordnen. Auf einer Metall­ober­fläche ist das leichter, nützt aber für die Anwendung in elektro­nischen Bauteilen nicht so viel“, erläutert Team-Leiterin Angelika Kühnle von der Uni Bielefeld. „Wir haben eine Möglichkeit gefunden, wie Metall­atome auf Isolatoren in einer gitter­artigen Struktur angeordnet werden können.“

Die Schwierigkeit besteht darin, die Metall­atome auch bei Zimmer­temperatur stabil zu verankern – ohne dass sie sich unter­ein­ander anziehen, an andere Positionen springen oder sich drehen. Bisher konnten Wissen­schaftler bei sehr tiefen Temperaturen schon kleine Moleküle auf Isolatoren anordnen, bei Zimmer­temperatur waren diese jedoch zu beweglich. Größere Moleküle lösten das Problem der Beweg­lich­keit, bildeten aber schnell Cluster.

Kühnle und ihre Arbeitsgruppe verwendeten für ihre Forschung Molybdän­acetat, eine Verbindung, die jeweils zwei Atome des Metalls Molybdän enthält. Dass diese Verbindung interessante strukturelle Eigen­schaften auf einer Gold­ober­fläche zeigt, hatte zuvor bereits ein Forschungs­team der TU Kaisers­lautern entdeckt. „Wird Molybdän­acetat nun auf eine Calcit-Oberfläche aufgebracht, bilden die Moleküle eine geordnete Struktur. Damit sind auch die Molybdän-Atome angeordnet“, sagt Team-Mitglied Simon Aeschlimann. „Mit verschiedenen Experi­menten und Simula­tionen konnten wir zeigen, dass die Molybdän­acetat-Moleküle weder springen oder sich drehen noch Cluster bilden. Sie sind fest auf der Calcit-Oberfläche verankert.“

Ihre Experimente haben die Forscher mithilfe eines Raster­kraft­mikroskops durch­geführt. So haben die Wissen­schaftler zum Beispiel untersucht, wo sich die Molybdän­acetat-Moleküle auf der Calcit-Oberfläche befinden und in welche Richtung sie sich ausrichten. Die geordnete Struktur entsteht, weil sich die Molybdän­acetat-Moleküle passgenau zur Ladungs­verteilung der Calcit-Oberfläche ausrichten. Calcit besteht aus Calcium- und Carbonat-Bausteinen, die eine regel­mäßige Gitter­struktur bilden. „Jedes Molybdän­acetat-Molekül passt nur an eine ganz bestimmte Stelle auf der Calcit-Oberfläche und wechsel­wirkt gleich­zeitig nicht mit seinen benach­barten Molybdän­acetat-Molekülen. Dadurch ist es fest verankert“, sagt Kühnle.

Kühnle interessiert sich vor allem für die Frage, wie sich molekulare Strukturen auf Ober­flächen oder Grenz­flächen bilden. Für elektro­nische Anwendungen sind die Ergebnisse aber auch relevant: Lassen sich nach dem gleichen Prinzip zum Beispiel magnetische Metalle anordnen, könnte das genutzt werden, um Daten­speicher im Nanometer­bereich herzu­stellen. Weitere Anwendungs­möglichkeiten sehen die Forscher bei optischen und chemischen Sensoren.

U. Bielefeld / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Aeschlimann et al.: Creating an Array of Metal-Complexing Molecules on an Insulator Surface at Room Temperature, Nat. Comm. 11, 6424 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-20189-x
• Physikalische Chemie I (A. Kühnle), Universität Bielefeld