Vortragsfolien - KIT

Rastertunnelmikroskpopie als
Krokodilklemme für einzelne Moleküle
Prof. Dr. Wulf Wulfhekel
Physikalisches Institut, Wolfgang Gaede Str.1,
76131 Karlsruhe

0. Überblick
Überblick – von der Mikroskopie zur molekularen Elektronik
1. Das Rastertunnelmikroskop
2. Miniaturisierung und ihre Grenzen
3. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
4. Ein magnetischer molekularer Speicher

1. Das Rastertunnelmikroskop
Einfaches Bild der Rastertunnelmikroskopie

1. Das Rastertunnelmikroskop
Erfindung der Rastertunnelmikroskopie
Nobel Preis für Physik 1986
atomare Stufen auf Au(110)
Heinrich Rohrer und Gerd Binnig
• atomare Auflösung in z-Richtung
• laterale atomare Auflösung
Binnig, Rohrer, Gerber, Weibel, APL 40, 178 (1982), ibid. PRL 49, 57 (1982)

1. Das Rastertunnelmikroskop
Der “Topografiner”: Ein Instrument zur Messung der Mikrotopographie einer Oberfläche
Russell Young, John Ward, und Fredric Scire
Review of Scientific Instruments 43, 999 (1972)

1. Das Rastertunnelmikroskop
Quantenmechanik des Tunnelns
Schrödinger Gleichung eines Teilchens der Masse m im Potential U(z) :
−ħ 2
2m
d 2 Ψ z
U z Ψ z=EΨ z
dz 2
Lösung:
Ψ z = Ae ikz Be −ikz , k= 2m E−U
ħ
• E>U : ebene Welle
• E

1. Das Rastertunnelmikroskop
RTM in Operation beobachtet mit einem REM
Prof. Bonzel, Forschungszentrum Jülich

1. Das Rastertunnelmikroskop
RTM in Operation beobachtet mit einem TEM
Prof. Takayanagi, Tokyo Institute of Technology

1. Das Rastertunnelmikroskop
W Spitzen
Scharfe und regelmäßige Spitzen durch Ätzen eines W Drahts

1. Das Rastertunnelmikroskop
Cu(100) bei 300K
Atomare Auflösung auf Metallen
Cu(111) bei 4K
5x5nm
kubischflächenzentriert
5x5nm

1. Das Rastertunnelmikroskop
Tiefe Temperaturen: Reifungsprozesse einer Cu(111) Oberfläche

1. Das Rastertunnelmikroskop
Der Oberflächenzustand von Cu(111)
Topographie
dI/dV bei 50mV
Das RTM „sieht“ die Aufenthlatswahrscheinlichkeit der Elektronen.
Streuung an einzelnen Defekten (hier CO) führt zu stehenden Wellen.

2. Miniaturisierung und ihre Grenzen
MOSFET
Kleine und reproduzierare Strukturen
Vision: Molekulare Elektronik
Intel 22nm Trigate

2. Miniaturisierung und ihre Grenzen
Riesenmagnetowiderstand (GMR)
GMR und spinabhängige Streuung
Tunnelmagnetowiderstand
Grünberg & Fert Nobel Preis 2007

2. Miniaturisierung und ihre Grenzen
Magnetischer Speicher (MRAM)
MRAM Zelle
Memristor = „Memory Resistor“
D. Strkov et al. Nature 2008

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
Metallorganische Moleküle
H 2
Pc
CoPc
Phthalocyanin (Pc) Moleküle mit zentralem Metallion

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
MPc deposition on Cu(111) and Co/Cu(111)
Co/Cu(111) H 2
Pc/Cu(111) H 2
Pc/Co/Cu(111)
CoPc/Cu(111) CoPc/Co/Cu(111) MnPc/Cu(111)
• Thermal deposition from a Knutsen cell
• Molecules adsorb flat on the surface

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
Kontaktieren eines Moleküls
● Exponentieller Anstieg des Stromes bei Annäherung des Moleküls
● Molekül springt in Kontakt wie ein Schalter
● Molekularer Kontakt bleibet bestehen

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
Leitwert eines Moleküls
•Auf Cu(111) finden wir:
auf Co/Cu(111):
H 2
Pc: 0.176±0.012 0.296±0.003
CoPc: 0.123±0.006 0.239±0.006
MnPc: 0.063±0.004 G 0

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
• Messung der Magnetisierungsrichtung der Co Inseln mittels TMR
• Nur 5% TMR bei kleinen Spannungen

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
• Unterschiedlicher Leitwert durch Moleküle je nach Magngetisierungsausrichtung

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
• GMR von 60+9% (10mal größer als TMR ohne Molekül)
S. Schmaus et al., Nature Nano. (2011)

2. Ein GMR-Sensor aus einem Molekül
• Quantenmechanische Berechnung des Stroms durch das
Molekül
• Strom fließt durch das HOMO
• Berechneter GMR von 65%

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Schwaches Ligandenfeld
d 6
Fe 2+
Voller Spin: S=2

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Starkes Ligandenfeld
d 6
Fe 2+
S=0

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Spin-Übergangsverbindungen: Fe-(phen) 2
(NCS) 2
• Die phen-Liganden haben zwei stabile Konfigurationen
mit unterschiedlich starkem Ligandenfeld
• Magnetischer (S=2) und unmagnetischer (S=0)
Zustand existiert
Spinübergang kann angeregt werden über:
Temperatur, Licht, magnetische und elektrische Felder
König et al., Chem. Commun. 1966

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Fe-phen auf Cu(100)
HS
LS
HS
LS
3 nm
• Fe-phen kann auf Cu Oberfläche durch Sublimation aufgebracht werden
• RTM zeigt zwei unterschiedliche Konfigurationen
• Moleküle mit großem phen-phen Abstand (schwachen Ligandenfeld) sind magnetisch
• Moleküle mit kleinem phen-phen Abstand sind unmagnetisch

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Fe-phen on Cu(100)
2 nm
dI/dV @ 1meV
• Magnetisches Signal kann genau
an der Position des Fe 2+ Ions
Beobachtet werden
• Kein Schalten zwischen beiden
Konformationen möglich
HS
LS
• Zu starke S-Cu Bindung

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Fe-phen auf CuN/Cu(100)
LS
HS
LS
HS
LS
HS
1 nm
• Zwei Konfigurationen beobachtet
• Magnetische und unmagnetische
• Wenig unterschiedliche Form

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
After
Fe-phen auf CuN/Cu(100)
• Fe-phen kann zwischen den beiden
Konfigurationen mittels einer Sppanung
umgeschlatet werden
Before
1 nm
– 1.0 V to + 1.4 V
+ 1.4 V to – 1.0 V

3. Ein magnetischer molekularer Schalter
Deterministisches Schalten
HS
HS
LS
LS
• Deterministisches Schalten
• Endzustand hängt nur von dem Vorzeichen der Spannung ab
• Ein Bit pro Molekül: magnetischer Memristor
T. Miyamachi et al., Nature Communication 2012

Danksagung
Die Arbeitsgruppe Wulfhekel
PI – KIT
IPCMS
S. Schamus, Y. Nahas, A. Takacs, T.K. Yamada, M. Gruber, V. Davesne, M Bowen,
T. Miyamachi, T. Balashov S. Boukari, L. Joly, F. Scheurer,
G. Rogez, E. Beaurepaire
INT – KIT
A. Bagrets, F. Evers