Einzelmolekül-Optoelektronik Neuer Schritt zu molekularen Schaltern

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Wenn Elektronik in die Dimension von Molekülen schrumpft, steht man vor einzigartigen Herausforderungen an die Technik. Ein Team am Fritz-Haber-Institut hat nun neue Fortschritte in der nanoskaligen Optoelektronik erzielt. Die Forscher entwickelten eine neue Methode zum Photoschalten einzelner Moleküle.

Die nanoskalige Optoelektronik ist ein schnell fortschreitendes Feld, das sich auf die Entwicklung elektronischer und photonischer Geräte im Nanometerbereich konzentriert. Eine präzise Kontrolle über Photoreaktionen auf atomarer Ebene ist entscheidend für die Verkleinerung und Optimierung dieser Geräte. Hierbei spielen physikalische Phänomene eine Rolle, die erst in diesen mikroskopischen Dimensionen auftreten, etwa lokalisierte Oberflächenplasmonen (localized surface plasmons, LSPs). Dabei handelt es sich um Lichtwellen, die auf nanoskaligen Materialoberflächen erzeugt werden und elektromagnetische Felder konzentrieren und verstärken können. Dies lässt sich nutzen, um mit ihrer Hilfe molekulare Sonden zu entwickeln, die etwa in der Mikroskopie eine neue Art der Bildgebung ermöglichen.

Jenseits der Nanoskala: Atomgenaue Kontrolle des Photoschaltens

Bisher war die Anwendung von LSPs hauptsächlich auf metallische Strukturen beschränkt. Doch Wissenschaftler der Abteilung für Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut könnten dank einer Entdeckung die nanoskalige Optoelektronik nun auf ein neues Level bringen. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Nutzung von LSPs, um chemische Reaktionen auf atomarer Ebene zu steuern. Das Team hat die Funktionalität von LSPs erfolgreich von rein metallischen Substraten 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.

Neue Fluoreszenzmikroskopie

Eintauchen in die Zellwelt, mit 5-Nanometer-Auflösung

Reversibel und zielgenau gebunden

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 0,01 Nanometern eingestellt werden. Diese präzise Manipulation ermöglicht reversible Änderungen zwischen zwei verschiedenen molekularen Konfigurationen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser neuen Form der Rastertunnelmikroskopie 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 lediglich ein Sauerstoffatom – welches 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. Damit eignet sich die Technik als Wegbereiter für effizientere und anpassungsfähigere nano-optoelektronische Systeme.

Technischer Ausblick

Diese Forschung am Fritz-Haber-Institut 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.

Originalpublikation: Park, Y., Hamada, I., Hammud, A. et al.: Atomic-precision control of plasmon-induced single-molecule switching in a metal–semiconductor nanojunction, Nat Commun 15, 6709 (2024); DOI: 10.1038/s41467-024-51000-w

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