Nanokontakte Verbindungen von der makroskopischen zur Quantenwelt

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1 Nanokontakte Verbindungen von der makroskopischen zur Quantenwelt Regina Hoffmann, Karlsruhe Institute of Technology Fakultät für Physik, Physikalisches Institut KIT die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)

2 Immer bessere Computer Speicherplatz in Computerchips steigt rasant an. Beispiele: Zuse 3, Atari, C64,... Damit man den Computer immer noch benutzen kann, muss man den Platz, den ein Bit braucht, immer kleiner machen. Lösung, früher: Übergang von Röhren zu Transistoren Heute: Übergang von Halbleitertransistoren zu Molekülen?

3 Ein Molekül als Transistor? Moleküle: - sehr klein, Funktionalität kann durch Chemie integriert werden - Bestehen aus wenigen Atomen bis zu einigen Hundert Atomen - Quantenmechanische Objekte Problem: 3 Zuleitungen werden gebraucht Diese müssen an ihrer Spitze der Größe des Moleküls entsprechen, also ebenfalls sehr klein sein Sie müssen genau am Molekül positioniert werden Sie sind ebenfalls quantenmechanische Objekte Verunreinigungen spielen eine sehr große Rolle 3

4 Zwei planare Kontakte, ein vertikaler Kontakt Molekül spielt vorläufig keine Rolle, wir üben erstmal nur Kontakte zu machen Form der planaren Zuleitungen wie sieht es in der Realität aus? Vertikaler Kontakt: besteht aus Atomen, kann also in der Realität nicht so spitz sein, wie in der Abbildung Wollen wir zum Abbilden des Moleküls, der planaren Zuleitungen und des Substrats verwenden 4

5 Dankeschön Diplomanden, Doktoranden, Postdocs: Christian Gärtner Michael Marz Björn Ittermann Carmen Perez Leon Dominik Stöffler Enhui Li Shawn Fostner Ehemalige Chefs: Prof. Hans-Joachim Güntherodt, Basel Prof. Hans Josef Hug, Basel Prof. Peter Grütter, Montreal Prof. Hilbert von Löhneysen, Karlsruhe Wissenschaftler: Alexis Baratoff Christoph Sürgers 5

6 Gliederung Motivation Dankeschön Zwei Planare Kontakte Herstellung Quantenmechanische Eigenschaften Ein Vertikaler Kontakt Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop Hüpfende Atome und Moleküle Zwei Planare Kontakte - Abbildung 6

7 Wir gehen wie in einer Sicherung von einem Draht aus und legen einen Strom an. G [10-3/Ω] Zwei planare Kontakte - Herstellung 5 0 G-1 = R = U/I Zyklus Nummer In einer Sicherung brennt ein hoher Strom unkontrolliert einen Draht durch Wir kontrollieren die Temperatur, die durch den Strom entsteht In Zyklen fahren wir immer bis zu einer bestimmten Maximaltemperatur, dann kühlen wir wieder ab Dadurch kann der Leitwert kontrolliert verringert werden. 7

8 Dünner Draht Herstellung im Vakuum Quelle für Metall 1 2 Maske Probe 3 4 Kontaktfedern Zusätzliche Anforderung: alles soll im Vakuum hergestellt werden, um Verunreinigungen zu vermeiden. 1. Probe sauber präparieren (heizen) 2.a) Dünnen Draht durch Maske aufdampfen 2.b) Große Zuleitungen auch durch Maske aufdampfen 3. Kontakt von der Probenoberfläche zu Kontaktposten herstellen 8

9 Masken 2.a) Kleine Masken: Si3+xN4-x Membranen Gesamtgröße Fenstergröße Membrandicke 9 5 mm 0.5 mm 200 nm 2. b) Große Masken Durchmesser: 3mm Streifenbreite: 35 µm

10 Kontakte zur makroskopischen Welt Kontakt zur Probenoberfläche Kontakt im Vakuum Stecker an Luft Kontakt von der Probenoberfläche zur makroskopischen Welt kann hergestellt werden, ohne das Vakuum zu unterbrechen oder die Probe an Luft zu bringen. Durch Anlegen eines hohen Stromes bei gleichzeitiger Kontrolle der Temperatur wird jetzt der Kontakt kontrolliert dünner gemacht. 10

11 Zwei planare Kontakte Quantenmechanische Eigenschaften Makroskopische Kontakte: Ohmsches Gesetz G-1 = R = ρ l/a Nanokontakte zeigen im Leitwert Sprünge in Abhängigkeit der Dicke des Kontaktes 11

12 Zwei planare Kontakte Atomistische Struktur des Metalls Blick auf die Querschnittsfläche A vorher A' nachher Sprung Wohin springt das Atom? Hier in diesem Beispiel: aus der Bildebene Blick von oben auf den Kontakt Sprünge können durch atomare Sprünge erklärt werden: Dicke der Kontakte kann auf der atomaren Skala nur um ganze Atome variieren Nochmal Ohmsches Gesetz: 1/G = R = ρ l/a Sprung 12 Wert von A springt plötzlich auf A' Dann muss auch der Wert von 1/G=R springen

13 Zwei planare Kontakte Quantenmechanische Eigenschaften Wellenleiter für Elektronen: In der Quantenmechanik können Elektronen sowohl als Teilchen als auch als Wellen betrachtet werden Blick von oben auf den Kontakt Sprung 13 Sprünge können durch Wellenleitereigenschaften des Kontaktes erklärt werden Vgl. Musik: jedes Instrument kann viele Töne spielen ZB Flöte die Luft in der Flöte bildet eine Welle. Es erklingt immer der Ton, der gerade in die Flöte hineinpasst: Resonanz Hier: Elektron hat eine bestimmte Welle, d.h. einen bestimmten Ton Wenn die Dicke des Kontaktes sich verringert, passt die Welle nicht mehr gut in den Kontakt Der Ton wird leiser - Der Leitwert wird geringer Der Widerstand wird größer

14 Zwei planare Kontakte Quantenmechanische Eigenschaften Wellenleiter für Elektronen: In der Quantenmechanik können Elektronen sowohl als Teilchen als auch als Wellen betrachtet werden Blick von oben auf den Kontakt Sprung Landauer Formel: G = 2e2/h Σ τi 14 Sprünge: Elektronenwelle passt einmal rein, zweimal rein, dreimal...

15 Zwei planare Kontakte Zusammenhang zwischen atomaren und Quantensprüngen Wellenfunktionen der Elektronen am Kontakt werden aus den Schalen der einzelnen Atome aufgebaut. Die Wellenfunktionen gehen in die Transmission des Kontaktes ein. Sie hängen von der atomaren Anordnung ab. Daher kann die atomare Anordnung nicht unabhängig von den Wellenleitereigenschaften betrachtet werden. G = 2e2/h Σ τi 1. Einzelne Atome: Elektronen bilden stehende Wellen um den Atomkern ( Schalen ) Auf den verschiedenen Schalen haben Elektronen unterschiedlich viel Energie Die mit niedriger Energie werden zunächst besetzt, dann die mit höherer Energie, bis alle Elektronen des Atoms verbraucht sind 15

16 Zwei planare Kontakte Zusammenhang zwischen atomaren und Quantensprüngen 2. Zwei gekoppelte Atome: Elektronen bilden neue stehende Wellen, die charakteristisch sind für die chemische Natur und die Anordnung der Atome 3. Kontakt: charakteristische Wellenfunktionen hängen wiederum von Art und Anordnung der Atome ab 16

17 Zwei planare Kontakte Zusammenhang zwischen atomaren und Quantensprüngen Wellenfunktionen der Elektronen am Kontakt werden aus den Schalen der einzelnen Atome aufgebaut. Die Wellenfunktionen gehen in die Transmission des Kontaktes ein. Sie hängen von der atomaren Anordnung ab. Daher kann die atomare Anordnung nicht unabhängig von den Wellenleitereigenschaften betrachtet werden. 3. Kontakt: charakteristische Wellenfunktionen hängen wiederum von Art und Anordnung der Atome ab 17

18 Gliederung Motivation Dankeschön Zwei Planare Kontakte Herstellung Quantenmechanische Eigenschaften Ein Vertikaler Kontakt Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop Hüpfende Atome und Moleküle Zwei Planare Kontakte - Abbildung 18

19 Der dritte vertikale Kontakt Rasterkraftmikroskop genereller Aufbau Blattfeder Spitze Blattfeder Spitze Kraft Probe Probe Demonstration am Overheadprojektor Weitere Möglichkeit: Spitze kann gegenüber der Probe beim Messen sehr fein verfahren werden Zeilenweise wird so ein Bild der Oberfläche erstellt Film 19

20 Animation: Rasterkraftmikroskop 20

21 Beispiele für atomare und molekulare Auflösung KBr (001) CaF2(111) NiO (001) PTCDA on KBr (001) C60 on KBr (001) 21 Si (111) 7 7

22 Atomare und molekulare Sprünge in der Rasterkraftmikroskopie Drei Fälle: 1. Sprünge auf der Oberfläche 2. Sprünge zwischen Spitze und Oberfläche 3. Sprünge auf der Spitze 22

23 Beispiel: molekulare Sprünge auf der Probe 1. C60-Fußball-Molekül sitzt auf KBr Oberfläche Oberfläche hat Stufen, Stufen haben Knicke Fußball-Molekül sitzt gerne auf Knicken Beim zeilenweisen Abbilden entstehen Streifen: Wenn das Molekül dasitzt, wird ein Streifen abgebildet, dann hüpft es weg, der Streifen endet Beim darauffolgenden Bild ist das Molekül ganz weggehüpft 23

24 Atomare Sprünge auf der Spitze KBr (001) 3. Saubere KBr Oberfläche hat Bereiche, die unterschiedlich abgebildet werden. Interpretation: die Spitze bildet die Oberfläche so lange zeilenweise ab, bis ein Bereich endet. Dann hat sich das vorderste Atom der Spitze plötzlich verändert, ist zb weggehüpft Modell für hüpfende Atome auf einer würfelförmigen Spitze Film 24

25 Simulation: Atomare Sprünge auf der Spitze 25

26 Simulation: Atomare Sprünge auf der Spitze 26

27 Gliederung Motivation Dankeschön Zwei Planare Kontakte Herstellung Quantenmechanische Eigenschaften Ein Vertikaler Kontakt Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop Hüpfende Atome und Moleküle Zwei Planare Kontakte - Abbildung 27

28 Zwei planare Kontakte Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop Ursprünglicher Zustand (40 Ω) 30 nm dickes Au 100 Ω > 30 kω SiOx Elektronenfluss Anfangs dünner Draht Rissbildung durch elektrischen Strom d.h. Fluss von Elektronen bei gleichzeitiger Temperaturekontrolle Abbildung durch Rasterkraftmikroskop Am Schluss: dünne Unterbrechung 28 3 nm

29 Zwei planare Kontakte Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop Ursprünglicher Zustand (40 Ω) 30 nm dickes Au 100 Ω > 30 kω SiOx Elektronenfluss Dünner Draht und Substrat können in einem Bild abgebildet werden Herstellung des dünnen Drahtes und Abbildung im Vakuum Dritter Kontakt ist auch am Riss vorhanden Abstand der Kontakte passt gut für Molekül 29 3 nm

30 Herstellungsprozess der beiden planaren Kontakte SiOx Usprüngliches Bild des dünnen Drahtes wird über Bild nach dem Verdünnen gelegt Farbige Bereiche: Riss Grün: Riss entlang Korngrenzen Blau: Körner fehlen nach Rissbildung Blau gestrichelt: Körner haben sich verändert Rot: der Riss geht durch Körner Rote Stellen werden heisser als grüne und blaue: Kontakt wird vor allem in der Mitte heiss Abbildung durch Rasterkraftmikroskopie macht es möglich, einzelne Körner zu untersuchen 30

31 Zusammenfassung Motivation Dankeschön Zwei Planare Kontakte Herstellung - Durch Anlegen eines Stromes an einen Draht bei gleichzeitiger Temperaturkontrolle Quantenmechanische Eigenschaften - Sprunghafte Änderungen des Leitwertes hüpfende Atome kombiniert mit quantenmechanischen Wellen Ein Vertikaler Kontakt Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop Hüpfende Atome und Moleküle - Sprünge auf der Probe oder auf der Spitze Zwei Planare Kontakte - Abbildung ist möglich, Auflösung wollen wir noch verbessern, Rissentwicklung kann untersucht werden 31