Pressemitteilung der TU München vom 23.11.2010

Maschinenbau auf molekularer Ebene:

Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, stabförmige Moleküle dazu zu bringen, sich selbst zu nur wenige Nanometer großen Rotoren zusammen zu setzen. Die winzigen Systeme dienen der Untersuchung der Kräfte, denen Moleküle auf Oberflächen und in Käfigen ausgesetzt sind. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in der aktuellen online-Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences der USA.

In der Nanowelt ist vieles anders. Der Mensch steht erst am Anfang, ihre Gesetzmäßigkeiten zu erforschen und nutzbar zu machen. Einem Team um Professor Johannes Barth aus dem Physik-Department der TU München ist es nun gelungen, stabförmige Moleküle so in einem zweidimensionalen Netzwerk einzuschließen, dass Sie von selbst kleine Rotoren bilden, die sich in ihren Honigwaben-artigen Käfigen drehen.

Vorbild für solche, sich selbst organisierenden Systeme ist die Natur. Proteine bringen Reaktionspartner so in engste räumliche Nähe, dass Reaktionen ablaufen, die ohne die Zusammenführung nicht möglich wären. Auch der Mensch nutzt solche Effekte, indem er Katalysatoren entwickelt, an deren Oberfläche Reaktionspartner zusammenfinden. Doch der große Traum, Selbstorganisationseffekte so zu nutzen, dass sich Nanomaschinen ganz von alleine zusammenbauen, steht noch in weiter Ferne.

Die in Garching entwickelten Rotoren sind ein erfolgreicher Schritt in diese Richtung. Zunächst bauten die Physiker ein riesiges Nanonetzwerk auf, indem sie Kobalt-Atome und ein stäbchenförmiges Molekül namens Sexiphenyl-Dicarbonitril auf einer Silberoberfläche miteinander reagieren ließen. Dabei entsteht ein riesiges Honigwaben-artiges Netzwerk, das eine erstaunlich hohe Stabilität besitzt. Ähnlich dem Graphen, dessen Entdecker vor wenigen Wochen den Nobelpreis erhielten, ist dieses Netzwerk nur exakt eine Atomlage dick.

Als die Forscher weitere Stäbchen-Moleküle zugaben, sammelten sich plötzlich spontan meist drei Stäbchen in einer Wabe, während benachbarte Waben leer blieben. Die geselligen Moleküle mussten also einen Vorteil davon haben, sich jeweils zu Dritt zu organisieren. Unter einem Rastertunnel-Mikroskop konnten die Forscher sehen, warum das der Fall war. Die drei Moleküle ordneten sich jeweils so an, dass die drei Stickstoff-Enden gegenüber einem Wasserstoff-Atom platziert waren. Diese Anordnung in Form eines dreiflügeligen Rotors ist energetisch so vorteilhaft, dass die Moleküle zusammenbleiben, selbst wenn thermische Energie das Trio in seinem Käfig zur Rotation anregt.

Da ihr Waben-Käfig aber nicht rund sondern sechseckig ist, gibt es für die Rotoren zwei verschiedene Positionen, die aufgrund der Wechselwirkungen der äußeren Stickstoffatome mit den Atomen der Käfigwand unterscheidbar werden. Darüber hinaus können die drei Moleküle rechtsdrehend und linksdrehend angeordnet sein. Durch Versuche bei verschiedenen Temperaturen konnten die Physiker alle vier Zustände „einfrieren“ und genau untersuchen. Aus der Temperatur, bei der die Rotation beim Aufwärmen wieder einsetzte, konnten sie die Energieschwelle für eine Drehung der Nanorotoren berechnen.

„In der Zukunft hoffen wir, diese einfachen mechanischen Modelle auf optisches oder elektronisches Schalten ausdehnen zu können,“ sagt Professor Johannes Barth. „Wir können die Käfiggröße gezielt festlegen oder auch gezielt weitere Moleküle einbringen und deren Wechselwirkungen mit der Oberfläche und der Käfigwand studieren. Diese sich selbst organisierenden, dynamischen Nanosysteme haben ein enormes Potenzial.“

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der Europäischen Union (ERC Advanced Grant MolArt) sowie dem Institute for Advanced Study (TUM-IAS), der International Graduate School for Science and Engineering (IGSSE) und dem Zentralinstitut für Katalyseforschung (CRC) der TU München. Die Publikation entstand in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Instituts für Nanotechnologie des Karlsruher Institutes für Technologie und des Institute de Physique et Chimie des Materiaux der Universität Strasbourg.

Originalpublikation:
Rotational and constitutional dynamics of caged supramolecules, Dirk Kühne, Florian Klappenberger, Wolfgang Krenner, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben und Johannes V. Barth,
PNAS Early Edition, November 22, 2010, DOI: 10.1073/pnas.1008991107

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 02.11.2010

Neuartige Datenspeicherung ermöglicht eine gegenüber dem aktuellen Stand der Technologie 400fache Steigerung der Datendichte.

Erstmals ist es gelungen, Informationen auf Nanometerskala in magnetischer Form durch ein elektrisches Feld zu schreiben, zu lesen und zu speichern. Das Projekt ist eine Kombination von theoretischen Rechnungen an Großrechnern in Jülich und Garching, durchgeführt von Wissenschaftlern aus dem Max-Planck Institut für Mikrostrukturphysik und der Universität Halle, sowie modernster Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie am KIT. Die Ergebnisse wurden jetzt in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Gegenwärtig dominieren in der Datenspeicherung Festplatten, bei denen Information mithilfe eines Magnetfelds geschrieben und ausgelesen werden. Die Informationseinheit auf der Festplatte, ein Bit, soll immer kleinere Abmessungen einnehmen, um die Kapazität der Festplatte zu steigern. Für die weitere Steigerung der Kapazität und der Schreibgeschwindigkeit stößt das magnetische Verfahren  jedoch auf fundamentale Grenzen. Als Ausweg aus diesem Dilemma wird intensiv nach alternativen Schreibmethoden gesucht.

Eine Alternative bietet die magneto-elektrische Kopplung: Hier wird magnetische Information durch Anlegen eines elektrischen Feldes geschrieben. Dieses Phänomen tritt bisher vor allem in komplexen Isolatoren auf. In dreidimensional ausgedehnten Metallen tritt dieser Effekt nicht auf, da eine induzierte Oberflächenladung ein elektrisches Feld an der Metalloberfläche abschirmt. Im Gegensatz dazu bewegen sich an der Oberfläche (typischerweise eine Atomlage) sowohl die negativ geladenen Elektronen als auch die positiv geladenen Atomrümpfe leicht durch das elektrische Feld und tragen zur Bildung der Oberflächenladung bei. Je nach Richtung des elektrischen Feldes verkleinert oder vergrößert sich dabei der Abstand zwischen den Atomen der beiden obersten Atomlagen um wenige milliardstel Millimeter. Diese Verschiebung reicht bereits aus, um die magnetische Ordnung in Eisen zu beeinflussen.

In diesem Projekt verwendeten die Forscher des Physikalischen Instituts am KIT und ihre Kollegen in Halle ein Modellsystem von zwei Atomlagen Eisen auf einem Kupfersubstrat. Theoretische Rechnungen implizieren, dass in diesem System Information über die magneto-elektrische Kopplung geschrieben werden kann. Für die experimentelle Realisation kam ein Rastertunnelmikroskop (RTM) zum Einsatz, das sowohl die Abbildung metallischer Oberflächen erlaubt, als auch das nötige, extrem hohe elektrische Feld von eine Milliarde Volt pro Meter liefern kann. In Übereinstimmung mit den Vorhersagen wurden magnetische Bits in Größe von nur 1 nm x 2 nm mit Hilfe des lokalen elektrischen Feldes unter der feinen Spitze des Rastertunnelmikroskos geschrieben. (tp/del)

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Presseinformation der LMU München vom 22.10.2010

Wachstum von Aluminiumoxid-Nanodrähten erstmals beobachtet

Hauchdünne Nanodrähte könnten in der Elektronik, Optik und Medizintechnik in den kommenden Jahren dazu beitragen, Handys oder Computer kompakter zu machen und eine besonders hohe Bildschirm-Auflösung zu erzielen. Einem internationalen Forscherteam um die LMU-Physikerin Professor Christina Scheu ist es nun erstmals gelungen, die Entstehung von Aluminiumoxid-Nanodrähten in atomarer Auflösung und in Echtzeit zu beobachten. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass das selbstkatalytische Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte in einem zweistufigen Prozess erfolgt, wobei der Draht entlang seiner Längsachse Lage für Lage aufgebaut wird. Die bislang einzigartigen Aufnahmen gelangen den Forschern mithilfe eines hochauflösenden Elektronenmikroskops. „Unsere Untersuchungen sind wichtig, um das Wachstum von Nanodrähten aus verschiedenen Materialien zu verstehen und dieses anschließend bewusst steuern und verändern zu können“, erläutert Scheu, deren Forschungsarbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) gefördert werden. (Science online, 21. Oktober 2010).

Hauchdünne Nanodrähte mit Durchmessern von weniger als 50 Nanometern, was Milliardstel Meter entspricht, haben das Potenzial, elektronische Geräte – etwa Handys und Computer – künftig kompakter zu machen. Ihr Wachstum kann aber nur gezielt beeinflusst werden, wenn die Forschung den zugrunde liegenden Entstehungsprozess im Detail versteht. Meist wachsen Nanodrähte in einem sogenannten Gas-Flüssigkeit-Festkörper-Prozess (Vapour-Liquid-Solid Growth oder VLS).

Dabei gelangen die zum Wachstum benötigten Atome aus der Gasphase über die flüssige Phase in einen festen Zustand, der dann den Nanodraht bildet. „Nanodrähte aus Silizium wachsen zum Beispiel, indem sich die Silizium-Atome in einem Tropfen aus flüssigem Gold lösen und dort in Richtung der Grenzfläche des Nanodrahts bewegen, an den sie sich dann anlagern“, erläutert Professor Christina Scheu von Department Chemie und vom Center for NanoScience (CeNS).

Unklar war bisher jedoch, was passiert, wenn die flüssige Phase die zum Wachstum benötigte Atomsorte nicht lösen kann. „Bei unserem System ist genau das der Fall“, berichtet Scheu, unter deren Leitung sich ein internationales Forscherteam aus Korea, Israel, den USA und Deutschland mit dieser Frage beschäftigte. „Der zum Wachstum der Aluminiumoxid-Nanodrähte verwendete flüssige Al-Tropfen kann bei hohen Temperaturen keinen Sauerstoff aufnehmen.“ Die Wissenschaftler untersuchten daher, welche Auswirkungen dies hat und führten bei 750 Grad Celsius Experimente in einem Transmissions-Elektronenmikroskop durch, das sich am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart befindet.

Mit diesen Versuchen gelang es, die atomaren Prozesse beim Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte zu beobachten. Dabei zeigte sich, dass das selbstkatalytische Wachstum der Nanodrähte in einem zweistufigen Prozess erfolgt. An den sogenannten Dreiphasenpunkten – oder Tripelpunkten – zwischen flüssiger Phase, Gasphase und fester Phase werden zunächst kleine Kristallfacetten gebildet und anschließend wieder aufgelöst. „Wenn die Kristallfacetten in die Länge wachsen, wird Sauerstoff frei, der entlang der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Nanodraht eingebaut werden kann“, sagt Scheu. „Damit wächst der Nanodraht um eine Atomlage.“

Diese Vorgänge wurden in einem Echtzeit-Video festgehalten. „Ohne diese hochauflösenden Aufnahmen hätte man die atomaren Prozesse beim zweistufigen Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte gar nicht aufklären können“, sagt Scheu. „Außerdem wäre uns wohl die zentrale Rolle der Tripelpunkte entgangen, die bisher oft als starr angesehen wurden.“ Das detaillierte Verständnis der Entstehung von Nanodrähten ist die Voraussetzung für die gezielte Manipulation ihres Wachstums. Scheu und ihr Team wollen in nachfolgenden Studien nun das Wachstum, die Struktur und Eigenschaften von Nanodrähten aus anderen Materialien aufklären.

Publikation:
„Oscillatory Mass Transport in Vapor-Liquid-Solid Growth of Sapphire Nanowires“;
Sang Ho Oh, Matthew F. Chisholm, Yaron Kauffmann, Wayne D. Kaplan, Weidong Luo, Manfred Rühle, Christina Scheu;
Science, Band 330 no. 6003, pp. 489-493
21. Oktober 2010
DOI: 10.1126/science.1190596

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Pressemitteilung der TU München vom 19.10.2010

Charakterisierung von Photo-Elektronen mit Quantenpunktkontakten:

Das Prinzip der Solarzelle ist seit vielen Jahren bekannt: Die Sonnenstrahlung befördert Elektronen auf ein höheres Energieniveau, löst sie so aus dem Atomverbund und Strom beginnt zu fließen. Im Rahmen einer Kooperation mit Physikern der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Augsburg haben Wissenschaftler um Professor Alexander Holleitner, Physiker an der Technischen Universität München (TUM), nun eine Methode entwickelt, mit der sie analysieren können, wie sich die photogenerierten Elektronen in kleinsten Photodetektoren räumlich bewegen. In der aktuellen Ausgabe des Magazins Nano Letters stellen sie ihre Forschungsergebnisse vor.

Das Kernstück der Methode bildet ein sogenannter Quantenpunktkontakt (QPC). Dabei handelt es sich um einen schmalen, elektrisch leitenden Kanal in einem Halbleiter-Schaltkreis. Die Wissenschaftler strukturierten den Kanal mit etwa 70 Nanometern derart schmal, dass er vergleichbar ist mit der Elektronenwellenlänge im Halbleitermaterial. Der Trick dabei ist, dass immer nur ein Elektron durch den Kanal passt und man daher den elektrischen Strom mit hoher Präzision vermessen kann. In der aktuellen Veröffentlichung wurde diese Methode nun erstmals auf photogenerierte Elektronen angewendet.

Im Versuchsaufbau bringt statt der Sonne ein Laserstrahl die Elektronen in den angeregten Zustand. Anschließend werden diese Elektronen durch Einsatz des Quantenpunktkontakts analysiert. Dabei konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, dass photogenerierte Elektronen einige Mikrometer weit laufen können, ohne an Kristallatome zu stoßen. Sie stellten zudem fest, dass die geometrische Form der Schaltkreise die Laufbahnen der Elektronen stark beeinflussen kann: Diese können sogar „um die Ecke“ laufen, indem sie wie Billardkugeln an den Schaltkreis-Rändern reflektiert werden.

Die Erkenntnisse und Analysemöglichkeiten, die die neu entwickelte Methode liefert, sind für eine Reihe von Anwendungen von Bedeutung. Dazu gehört insbesondere die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile, wie zum Beispiel Photodetektoren, Transistoren wie den „High electron mobility transistors (HEMT)“ sowie von Elementen, die den magnetischen Freiheitsgrad (Spin) von Elektronen zur Verarbeitung von Informationen nutzen.

Neben der Arbeitsgruppe von Professor Holleitner waren an der Forschungsarbeit auch Wissenschaftler um Professor Jörg Kotthaus (Ludwig-Maximilians-Universität München) und Professor Peter Hänggi (Universität Augsburg) beteiligt. Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln des Exzellenzclusters Nansystems Initiative Munich (NIM), durch das Bundesforschungsministerium (nanoQUIT), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Ho 3324/4), das Center for NanoScience (CeNS) und LMUexcellent.

Publikation:
Spatially resolved ballistic optoelectronic transport measured by quantized photocurrent spectroscopy, Klaus-Dieter Hof, Franz J. Kaiser, Markus Stallhofer, Dieter Schuh, Werner Wegscheider, Peter Hänggi, Sigmund Kohler, Jorg P. Kotthaus und Alexander W. Holleitner; Nano Lett., 2010, 10 (10), pp 3836-3840

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.09.2010

Wissenschaftler weisen enorme elektrische Felder an neuer optischer Nanoantenne nach

Eine Antenne auf der Nanometerskala, die neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Optik sowie für den Nachweis von Molekülen in Biologie und Chemie verspricht, haben Forscher des KIT und der Rice University in Houston/Texas entwickelt. Dabei ist es ihnen erstmals gelungen, die erhöhte Feldstärke an der optischen Antenne direkt zu messen. Die Ergebnisse ihrer Forschungen haben sie nun in der renommierten Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.

Wenn Licht auf eine metallische Nanostruktur trifft, kann es darin Wellen in der Dichte der Elektronen anregen. Durch diese Dichtewellen wirkt die Nanostruktur dann wie eine Antenne für Licht – ähnlich wie herkömmliche Antennen in Radios oder Mobiltelefonen für langwelligere Strahlung. Bei den im Alltag eingesetzten Antennen sind die Dichteänderungen und die damit verbundenen elektrischen Felder meist klein. Nicht so bei der Nanoantenne, die Forscher aus Karlsruhe und Houston nun entwickelt haben: Zwei Metallspitzen sind auf der Nanometerskala voneinander getrennt, das heißt, sie liegen weniger als ein Hunderttausendstel der Dicke eines menschlichen Haares auseinander. „So wird die Energie in der Lichtwelle auf ein winziges Volumen fokussiert, was enorme elektrische Felder hervorruft und ganz neue Anwendungen ermöglicht“, berichtet der Physiker Professor Gerd Schön vom Center for Functional Nanostructures (CFN) des KIT. Allerdings war es bisher schwierig, die erhöhte Feldstärke im Experiment direkt nachzuweisen.

Einer internationalen Forschergruppe ist dies nun gelungen: Der Physiker Dr. Fabian Pauly, Leiter einer Nachwuchsgruppe am Institut für Theoretische Festkörperphysik des KIT, und sein Mitarbeiter Falco Hüser sowie der ehemalige KIT-Forscher Juan Carlos Cuevas, heute Professor an der Autonomen Universität Madrid, haben mit theoretischen Untersuchungen die praktischen Experimente von Professor Douglas Natelson und Daniel R. Ward von der Rice University in Houston begleitet. In einer Probe, in der zwei metallische Spitzen durch einen weniger als einen Nanometer großen Spalt voneinander getrennt sind, maßen die Forscher die Feldstärke und fanden dabei Erhöhungen von mehr als einem Faktor tausend. Dies erreichten sie durch eine geschickte Kombination von optischer Gleichrichtung und hochempfindlichen Leitwertmessungen.

Messungen und Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten und Grenzen von metallischen Nanoantennen für Licht – sogenannten plasmonische Antennen – für die spektroskopischen Untersuchungen von Oberflächen, für chemische, biologische und medizinische Sensoren, aber auch für die Grundlagenforschung zur Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Nanometerskala. Mit ähnlichen Themen der Nanooptik sind derzeit verschiedene Forschergruppen des KIT in weiterführenden theoretischen und experimentellen Studien befasst. (or)

Literatur:
Daniel R. Ward, Falco Hüser, Fabian Pauly, Juan Carlos Cuevas, and Douglas Natelson: Optical rectification and field enhancement in a plasmonic nanogap. Nature Nanotechnology, published online 19 September 2010 | doi: 10.1038/nnano.2010.176

Externer Link: www.kit.edu