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30.12.2020 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Wie sich Metallatome auf einem Isolator fest verankern lassen

Autor:
Dieter Beste
2:30 Min. Lesedauer

Elektronische Bauteile sollen noch winziger werden – sollen im Nanokosmos auf atomarer Ebene funktionieren. Forschern ist es jetzt gelungen, einzelne Metallatome auf einem Isolator-Grundmaterial fest zu verankern.

Um in Zukunft noch winzigere elektronische Speicher oder Sensoren herstellen zu können, müssen zahlreiche technische Hürden überwunden werden. Eine der zu überwindenden Schwierigkeiten ist es, einzelne Metallatome auf einer isolierenden Schicht anordnen zu können – und zwar ohne, dass sie sich untereinander anziehen, an andere Positionen springen oder sich drehen. "Bisher ist es schwierig, Metallatome auf einer Isolator-Oberfläche anzuordnen. Auf einer Metalloberfläche ist das leichter, nützt aber für die Anwendung in elektronischen Bauteilen nicht so viel", sagt Angelika Kühnle von der Universität Bielefeld. Die Professorin leitet dort die Arbeitsgruppe Physikalische Chemie I an der Fakultät für Chemie.

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Atomic Structure

A physical phenomena is always described as a function of time and spatial coordinates $$(t,\varvec{{ r}})$$. One may Fourier transformFourier transform the time domain (t) to the frequency domain($$\omega $$) without losing any information, where …

Kühnle und ihrer Arbeitsgruppe ist jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universitäten Kaiserslautern, Lincoln (Großbritannien) und Mainz das Kunststück gelungen, Metallatome auch bei Raumtemperatur stabil auf einem Isolator-Material zu fixieren, wie die Forschergruppe in Nature Communications berichtet. Dem Team gelang der Durchbruch mit Molybdänacetat, eine Verbindung, die jeweils zwei Atome des Metalls Molybdän enthält. "Wird Molybdänacetat nun auf eine Calcit-Oberfläche aufgebracht, bilden die Moleküle eine geordnete Struktur. Damit sind auch die Molybdän-Atome angeordnet", sagt Simon Aeschlimann, Erstautor der Studie. "Mit verschiedenen Experimenten und Simulationen konnten wir zeigen, dass die Molybdänacetat-Moleküle weder springen oder sich drehen, noch Cluster bilden. Sie sind fest auf der Calcit-Oberfläche verankert."

Die geordnete Struktur entsteht, weil sich die Molybdänacetat-Moleküle passgenau zur Ladungsverteilung der Calcit-Oberfläche ausrichten. Calcit besteht aus Calcium- und Carbonat-Bausteinen, die eine regelmäßige Gitterstruktur bilden. Angelika Kühnle: "Jedes Molybdänacetat-Molekül passt nur an eine ganz bestimmte Stelle auf der Calcit-Oberfläche und wechselwirkt gleichzeitig nicht mit seinen benachbarten Molybdänacetat-Molekülen. Dadurch ist es fest verankert." Die Grundlagenforscherin hat künftige Anwendungen im Blick: Die Kontrolle selbstorganisierter Nanostrukturen auf Bulk-Isolatoren bei Raumtemperatur sei entscheidend für die Herstellung zukünftiger winziger Bauelement im molekularen Maßstab, heißt es in Nature Communications. Ließen sich nach dem in der Studie vorgestellten Prinzip zum Beispiel magnetische Metalle anordnen, könnte das genutzt werden, um Datenspeicher im Nanometerbereich herzustellen. Andere Anwendungsmöglichkeiten seien die Katalyse sowie optische oder chemische Sensoren.

Eine strenge Definition des Begriffs "nanoelektronisches Bauelement" existiert bis heute nicht. "Im Allgemeinen versteht man darunter jedoch elektronische Bauelemente, bei denen zumindest in einer örtlichen Dimension die Abmessungen einer "entscheidenden" Komponente im Nanometerbereich liegen", erläutern Heinz-Christoph Neitzert, Ulrich Hilleringmann und Wolfgang R. Fahrner in "Nanotechnologie und Nanoprozesse" auf Seite 257 und skizzieren im Folgenden den heutigen Stand der Technik bei elektronischen Bauelementen, die auf Nanostrukturen basieren.

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