Door de toenemende miniaturisering in de elektronica zullen componenten ontstaan ​​die uit slechts enkele moleculen bestaan, of zelfs maar één molecuul. Er zijn minuscule draadjes nodig om deze op nanoniveau aan te sluiten op een elektrisch circuit. Een internationaal onderzoeksteam van de Kiel University (CAU) en het Donostia International Physics Centre in San Sebastián, Spanje, heeft een molecuul ontwikkeld dat een draad integreert met een diameter van slechts een enkel atoom. De wetenschappers ontdekten dat de stroom via deze moleculaire draad kan worden geregeld. Het werkt als een nano-schakelaar, en maakt het gebruik van moleculaire draden in elektronische componenten op nanoschaal haalbaar. De bevindingen van het onderzoeksteam verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De draad geproduceerd door de wetenschappers uit Kiel en San Sebastián is slechts twee atoombindingen lang en één atoom breed. "Dit is de eenvoudigste moleculaire draad die je je kunt voorstellen, dunner en veel korter is niet mogelijk, " verklaarde de Kiel-fysicus Torben Jasper-Tönnies, eerste auteur van de publicatie. Om de stroom die door de nanodraad vloeit te meten, beide uiteinden moeten worden aangesloten op een metalen elektrode - zoals bij grotere circuits. Maar er zijn geen metalen clips die klein genoeg zijn om op nanoschaal elektrische contacten te maken. "Elektrisch contact maken met individuele moleculen in een nanocircuit is een probleem dat nog niet naar tevredenheid is opgelost, en wordt veel besproken in de onderzoeksgemeenschap, " legde Jasper-Tönnies uit, die zijn proefschrift schrijft in de werkgroep van professor Richard Berndt.

Om een ​​elektrisch contact mogelijk te maken, de wetenschappers ontwikkelden een nieuwe draad, bestaande uit slechts een enkel molecuul. "Het bijzondere van onze draad is dat we deze verticaal op een metalen oppervlak kunnen installeren. Dit betekent dat een van de twee benodigde contacten al effectief in de draad is ingebouwd, ", legt Jasper-Tönnies uit. Om dit te bereiken, de betrokken chemici gebruikten een benadering van het Kiel Collaborative Research Center (SFB) 677 "Function by Switching". In het interdisciplinaire onderzoeksnetwerk, moleculaire platforms behoren tot de interessegebieden. De draad is bevestigd aan zo'n platform. Het vertoont een hoge geleidbaarheid, en kan eenvoudig worden bevestigd aan een metalen oppervlak zoals een zuignap - er wordt een elektrisch contact gerealiseerd.

Voor het tweede vereiste contact, het onderzoeksteam gebruikte een scanning tunneling microscope (STM). Met een metalen punt, het "voelt" een monster, en maakt een beeld van het oppervlak op een schaal van enkele nanometers. Zo worden individuele atomen zichtbaar. In hun experimenten, de Kiel-onderzoekers gebruikten een bijzonder fijne metalen punt voor de STM, aan het einde was slechts een enkel atoom. Op deze manier, ze konden een elektrisch contact maken met het tweede uiteinde van de draad, sluit het circuit, en meet de stroom. "Door dit zeer nauwkeurige contact via slechts één atoom, we kregen bijzonder goede gegevens. We kunnen deze contacten repliceren, en de gemeten stroomwaarden verschillen zeer weinig van draad tot draad, ’ zei Jasper-Tönnies.

Tijdens hun metingen de onderzoekers ontdekten ook dat kwantummechanische krachten werken tussen de metalen punt van de STM en de nanodraad. Deze kunnen worden gebruikt om de draad mechanisch te buigen. Als de draad slechts licht gebogen is, de stroom wordt verminderd. Echter, als er een sterke bocht is, het verhoogt. "Door de draad te buigen, we konden de stroom aan- of uitzetten. Hoewel onze draad zo eenvoudig is, het gedraagt ​​zich op een zeer complexe manier - dit verraste ons, ", legt Jasper-Tönnies uit.

De wetenschappers denken dat de ongebruikelijke elektrische geleiding van de nanodraad wordt veroorzaakt door zijn moleculaire structuur. Dit wordt ondersteund door berekeningen uitgevoerd door Dr. Aran Garcia-Lekue en Professor Thomas Frederiksen uit San Sebastián. Als gevolg van de kwantummechanische krachten, de individuele atomen van de draad vormen nieuwe chemische bindingen met het atoom aan de punt van de STM-sonde. Dit verandert de geometrie van het molecuul, en daarmee zijn eigenschappen. “Kleine geometrische verschillen kunnen juist een enorm effect hebben. Daarom is het belangrijk om de geometrie van een molecuul in te kunnen stellen en zo nauwkeurig mogelijk te kunnen meten – en dat bereiken we door het precieze contact van de nanodraad en via de STM-beelden in atomaire resolutie, ’ zei Jasper-Tönnies.