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Nachwuchsgruppe von Dr. Regina Hoffmann
Wir untersuchen die strukturellen und elektronischen Eigenschaften metallischer Nanokontakte. Die elektronischen Eigenschaften von Nanokontakten werden oft erklärt, indem Annahmen über ihre atomare Struktur getroffen werden. Unser Ziel ist es, die Struktur mit Rastersondenmikroskopie zu untersuchen. Die Nanokontakte werden mit kontrollierter Elektromigration hergestellt. Dies wird uns ein besseres Verständnis und eine Beeinflussung der Zuleitungen und Kontakte an die kleinsten funktionalen Einheiten, also CMOS Transistoren einerseits oder molekulare Transistoren andererseits, ermöglichen
Metallische Nanokontakte und molekulare Elektronik
Wenn man einen metallischen Draht immer dünner macht, findet man Abweichungen vom Ohmschen Gesetz. Der Leitwert des Kontaktes variiert nicht mehr kontinuierlich mit den Abmessungen des Drahtes. Bei diesen metallischen Nanokontakten bestimmt die atomare Konfiguration und chemische Natur der Metallatome einerseits und die Welleneigenschaften der Elektronen andererseits den Leitwert.
Metallische Nanokontakte können mit thermisch assistierter Elektromigration hergestellt werden. Bei dieser Methode wird ein dünner metallischer Draht durch Anlegen eines elektrischen Stromes aufgeheizt, so dass die Atome thermisch aktiviert unter dem Einfluss der Elektromigrationskräfte in eine Richtung diffundieren, so dass der Kontakt dünner wird. Die Temperatur des entstehenden Nanokontaktes wird dabei kontrolliert.
Diese Methode wird auch verwendet, um Moleküle zu kontaktieren. Dazu muss man die Moleküle auf isolierende Oberflächen plazieren. Moleküle auf isolierenden Oberflächen können mit hochaufgelöster Rasterkraftmikroskopie einzeln abgebildet werden. Die Qualität der Abbildung ist dabei von ähnlich guter Qualität wie bei Abbildungen von Molekülen auf metallischen Oberflächen mit dem Rastertunnelmikroskop. So kann die Selbstorganisation der Moleküle und die epitaktische Beziehung der Molekülinseln mit dem Substrat untersucht werden. Es können Schlüsse über die Wechselwirkungen der Moleküle mit anderen Molekülen und mit dem Substrat gezogen werden.
Oberflächenkräfte
Rasterkraftmikroskopie im dynamischen Modus erlaubt die Abbildung von isolierenden, halbleitenden und metallischen Oberflächen mit atomarer Auflösung. Bei der Rasterkraftmikroskopie wird die Kraft zwischen einer Spitze, die an einer Blattfeder befestigt ist, und einer sauberen und geordneten Oberfläche bestimmt, indem die Auslenkung der Blattfeder gemessen wird. Im dynamischen Modus wird zusätzlich die Spitze zu Schwingungen angeregt, um die Kraft genauer messen zu können. Wenn ein harter Kontakt mit der Oberfläche und die dadurch entstehende Beschädigung der Spitze vermieden wird, was im dynamischen Modus am besten gelingt, können mit atomarer Genauigkeit chemische Bindungskräfte zwischen Spitze und Oberfläche direkt gemessen werden.
Zusätzlich zur lateralen Messung mit atomarer Auflösung parallel zur Oberfläche können die chemischen Bindungskräfte auch abstandsabhängig gemessen werden. Aus diesen Informationen können dreidimensionale Vektorfelder der Kräfte im Raum über wenigen Probenatomen generiert werden. Wir vergleichen die gemessenen Kräfte mit atomistischen Rechnungen. Geeignete Modelle für die Oberfläche sind gut bekannt. Da über die Spitze wenig bekannt ist, werden für die Spitze verschiedene Modelle benutzt. Der Vergleich aus Simulationen und Messungen ermöglicht es, die Entstehung des gemessenen Kontrastes besser zu verstehen, und die Modelle der Spitze immer weiter zu verfeinern, das heisst zum Beispiel die Polarität des vordersten Spitzenatoms zu bestimmen.
