Arbeitsgruppe Quantenkontrolle
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Maßgeschneiderte funktionalisierte tripodale Moleküle:
Erste Schritte zu einer molekularen Elektronik
Wir verwenden ein selbstgebautes 5K-STM zur Ansteuerung von funktionalisierten tripodalen Molekülen, um deren Zustand zu beobachten und zu kontrollieren. Wir haben hierzu verschiedene neuartige experimentelle Herangehensweisen entwickelt, um einzelne molekulare Funktionseinheiten in einer kontrollierbaren Art und Weise zu positionieren, zu charakterisieren und umzuschalten.
Ein Beispiel ist ein elektrisch betätigter Kippschalter, für den wir eine Spirobifluoren-Variante mit einer wohldefinierten räumlichen Anordnung der Nitril-Kopfgruppe verwenden. Diese polare Gruppe kann durch die elektrostatischen Kräfte bei Anlegen eines elektrischen Felds an den Tunnelkontakt bewegt werden [1]. Dieses Forschungsfeld wurde vor Kurzem mit der Realisierung eines molekularen Rotors [2] und eines elektrisch betriebenen Molekularmotors (s. Abb. 1) erweitert. Die Manipulation von individuellen Molekülen innerhalb einer sich selbst zusammenbauenden Struktur ermöglicht das Schreiben und Lesen von Information auf der Nanoskala [3] sowie die Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen (s. Abb. 2) [4].
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Optimierte molekulare Lichtemitter:
Höhere Quantenausbeute und Einzelphotonen-Quellen
Das 1K-Rasterunnelmikroskop (STM) , das in unserer Gruppe entwickelt wurde, ist mit einem Mikro-Parabolspiegel augestattet, in dessen Brennpunkt sich die STM-Spitze befindet, sodass das Licht in eine Glasfaser ausgeleitet werden kann [5]. Diese mittels 3D-Lithographie hergestellte Anordnung kann wesentlich mehr Licht sammeln als dies mit einem Linsensystem möglich wäre. Das aus dem STM-Kontakt emittierte Licht kann dann entweder zur Spektralanalyse zu einem Gitterspektrometer oder aber zur Bestimmung der zeitlichen Korrelation des Photonen-Einfalls zu einem Hanbury-Brown-Twiss-Interferometer weitergeleitet werden (s. Abb. 3).
Die Energie der tunnelnden Elektronen kann zu verschiedenen Anregungen im STM-Kontakt führen, die dann eine Lichtemission zur Folge haben können. Aufgrund der extrem kleinen Tunnelkontaktfläche und der Kombination von hoher lateraler räumlicher und hoher Energie-Auflösung können durch STM-induzierte Lumineszenz (STML) die Lichtemissionseigenschaften von Materialregionen im atomaren Maßstab untersucht werden [6][7].
Im Brennpunkt stehen hierbei unsere Untersuchungen zur Elektrolumineszenz einzelner Moleküle im STM-Kontakt. STML vereint Photonspektroskopie einzelner Moleküle mit der hohen lateralen räumlichen und der hohen Energie-Auflösung von STM. Auf diese Weise kann die Adsorptionskonfiguration einzelner Moleküle sowie die Form und Energie der Molekülorbitale bestimmt und mit dem Lichtemissionsspektrum korreliert werden.
Im Gegensatz zu konventioneller Photolumineszenzspektroskopie können mit STML selektiv Löcher oder Elektronen in spezifische Orbitale injiziert und individuelle Moleküle aufgeladen werden, sodass nicht nur ladungsneutrale sondern auch mit einem Ladungswechsel verbundene Übergänge beobachtet werden[8][9].
Die Elektrolumineszenz von einzelnen Molekülen, die mittels metallischer Zuführungen kontaktiert werden, hängt von miteinander konkurrierenden Bedingungen hinsichtlich des Kontakts der einzelnen Molekülen mit den metallischer Zuführungen ab: Einerseits muss ein substantieller Tunnelstrom fließen können, wozu eine Hybridisierung erforderlich ist. Andererseits muss das Chromophor aber auch entkoppelt sein, um eine Unterdrückung der Fluoreszenz zu vermeiden. Hierzu wird üblicherweise eine dünne isolierende NaCl-Schicht verwendet [8]. Wir verfolgen einen alternativen Ansatz, bei dem der isolierende Abstandshalter in den Molekülaufbau integriert wird [7][9].
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