Fizikai Tudományok Doktori Iskola

Fizika Tanszék/Fizika Intézet

Témavezető: Dr. Halbritter András

Molekuláris nanokontaktusok vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Kutatásom témája atomi méretű kontaktusok [1] vizsgálata törőkontaktus technikával, amely az elektródatávolság pm-es skálán pontos beállítását teszi lehetővé. A kutatás fő célja reprodukálható, jól definiált molekuláris kontaktusok létrehozása és az ehhez szükséges kontaktálási technikák kidolgozása. Az alacsony hőmérsékleten használható karakterizálási technikák miatt a méréseket 4 K hőmérsékleten végezzük.

A kutatóhely rövid bemutatása

A méréseket a Fizika Tanszék alacsony hőmérsékleti szilárdtestfizika laborjában végezzük. A labor hélium cseppfolyósítóval és több folyékonyhélium-tároló edénnyel rendelkezik, melyekben a mérések elvégezhetők. Az atomi és molekuláris kontaktusokon végzett nanofizikai kutatások mellett a laboratórium nagynyomású és nagy mágneses terű optikai és transzport méréseknek is helyet ad.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az elektronikai eszközök méretcsökkenése hamarosan eléri a ma használt, konvencionális technikák határát, így napjaink legfőbb kihívása az új elven működő és a jelenlegiek leváltására képes technológiák kidolgozása.

Bár már több mint 35 éve felvetették, hogy egyetlen atom vagy molekula is működhet aktív elektronikai eszközként [2], bíztató eredmények mégis csak az elmúlt évtizedben láttak napvilágot. Számos érdekes eredmény született az atomi láncok képződésétől [3] egyetlen molekula sikeres felkontaktálásáig [4,5,6,7]. Mechanikai hatásra [8], fénnyel való besugárzás [9] és a kontaktuson lokálisan kiváltható kémiai reakciók hatására [10] bekövetkező kapcsolási jelenségeket is megfigyeltek. Molekuláris memóriákat [11] és olyan, egyetlen molekulából álló tranzisztort [12] hoztak létre, ahol egyetlen elektrontöltéssel voltak képesek nagy áram ki-bekapcsolására.

Bár a kísérletek ígéretesek a későbbi alkalmazások (nanoszenzor, molekuláris memória) szempontjából, ezeknek az eszközöknek a megbízhatósága és reprodukálhatósága még nem megoldott. Csoportunk atomi méretű kontaktusokon végez méréseket megbízható kontaktálási módszerek kutatása és széles körben alkalmazható karakterizálási technikák kifejlesztése érdekében.

     

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Az elektronikai alkalmazások szükségessé teszik megbízható kontaktálási eljárások kidolgozását. Mivel kis méretük miatt az egyetlen molekulából álló kontaktusokat nem lehet közvetlenül megfigyelni, a „molekuláris fekete dobozra" vonatkozó összes információt indirekt mérésekből kell összegyűjteni. 

Sokszor arra az alapvető kérdésre is nehéz választ adni, hogy sikerült-e a molekulát felkontaktálni; a molekula pontos elhelyezkedéséről pedig szinte lehetetlen információt szerezni. Bár a kémiailag megtervezett molekuláris kontaktusok széles választékával rendelkezünk, a mérések reprodukálhatósága még mindig a legnagyobb megoldatlan feladat.

Méréseink fő célja a megfelelő kontaktálási technikák és a szükséges karakterizálási eljárások kidolgozása.  A méréseknél használható módszerek az ábra alapján tekinthetők át. Ezeket a későbbiekben részletesen is ismertetem.

Módszerek

Break Junction (törőkontaktus) módszer Atomi méretű kontaktusokat egy fémszál eltörésével hozunk létre Break Junction módszerrel. A vezetéket egy hajlítható lapkára ragasztjuk, amelyet egy piezo mozgatóval meghajlítva szabályozhatjuk a kontaktus méretét. A nagy mechanikai áttételnek köszönhetően a kontaktus átmérője pontosan hangolható. Mérések alacsony hőmérsékleten A törőkontaktus rendszert egy mintatartóba építettük bele, amellyel a rendszer folyékony héliumfürdőbe meríthető, és így 4 K-en az elektródák távolsága a pm-es skálán változtatható. A minta és a törőrendszer is a mintatartó vákuumterében található, így a lehűtés után a minta kriogén vákuumba kerül. Ha a kontaktust csak a kriogén vákuumban törjük el, akkor ezzel a módszerrel még erősen reaktív anyagok esetén is garantálható a minta tisztasága.

Az MCBJ rendszer sematikus ábrája

Balra: A mérőrendszer felépítése. A rezgések kiszűrése érdekében a héliumos tárolóedényt a mennyezetről lógatjuk le. Jobbra: Alagútáram-kalibráció arany kontaktuson. Az alagútáram exponenciális távolságfüggése 6 nagyságrenden keresztül követhető. A panelbetéten a rendszer stabilitása látható: az elektródák elmozdulása kevesebb mint 2 pm volt 10 perces időtartamban.

A molekulák bejuttatása

A molekulákat egy kapillárison keresztül, kis adagokban juttatjuk a mintához. Egyes jól megválasztott molekulák hajlamosak bekötődni az elektródák közé.

Vezetőképesség hisztogramok

Fémes vezetékek szakításakor végzett vezetőképesség-mérésekből jól megfigyelhető az anyag diszkrét, atomokból felépülő szerkezete. A szakítás során, amint a vezeték mérete közeledik az atomi méretskálákhoz, a vezetőképesség folytonos változását a kontaktus átrendeződéséből adódó diszkrét ugrások váltják fel. A szakítást többször elvégezve a görbék csak apróbb részletekben térnek el egymástól; nagy vonalakban hasonlóságot mutatnak [1].

Statisztikai elemzés céljából vezetőképesség hisztogram készíthető a szakítási görbékből, melyben a csúcsok a gyakran előforduló, stabil atomi vagy molekuláris konfigurációknak felelnek meg.

Elméleti modellek az atomi méretskálán

Ha a stabil atomi konfigurációk azonosítása után rögzítjük az elektródatávolságot, tanulmányozhatjuk az egyedi konfigurációk tulajdonságait. Az elektronok hullámhosszával összemérhető kontaktusméretek esetén dominánssá váló kvantummechanikai effektusok tanulmányozása segítheti a rendszer pontosabb feltérképezését.

Eddigi eredmények

Méréseinket fém elektródákon, illetve molekuláris nanokontaktusokon végeztük. Mivel már a legegyszerűbb rendszerek elméleti tárgyalása és kísérleti megvalósítása is igen nehéz, ezért a mérések a lehető legegyszerűbb rendszeren, hidrogénnel létrehozott molekuláris kontaktusokon történtek. A jelenleg folyó kísérleteinkben ezeket a méréseket szeretnénk kiterjeszteni komplexebb molekulákból álló rendszerekre.

Korrelációs analízis

A vezetőképesség hisztogram méréseket széles körben alkalmazzák atomi vagy egyetlen molekulából álló konfigurációk azonosítására. A szokványos hisztogramok azonban – mivel a statisztikai átlagot mérik – csak korlátozott információt szolgáltatnak a rendszerről, ezért kifejlesztettünk egy új statisztikai kiértékelési módszert, a szakítási görbék  2 dimenziós keresztkorrelációs analízisét [M4]. E módszer segítségével feltárhatjuk a nanokontaktus-képződésnek a hisztogramban eddig rejtve maradt részleteit is, illetve korreláló vagy egymást kizáró konfigurációkat azonosíthatunk. A módszer igen markáns struktúrákat mutatott Ni, Fe és V kontaktusokra, amelyeket a legkisebb keresztmetszet atomról atomra való elvékonyodásával azonosítottunk. Ez a jelenség igen ritka – arany kontaktusok esetén például teljesen rendezetlen a szakítási folyamat.

	Balra: Korrelációs diagram Ni-re. Jobbra: Az eredeti vezetőképesség hisztogram (alul), illetve korrelációs analízis segítségével létrehozott számos konfigurációt mutató hisztogramok. Részletek: M4.

Fémes és molekuláris rendszerek sub-gap spektroszkópiája

Vizsgálataink egyik csoportját szupravezetők sub-gap analízise képezte. Nagy mennyiségű IV görbét fölvéve, majd ezeket az elméleti görbékkel illesztve statisztikailag fel tudtuk térképezni a transzmissziós együtthatók vezetőképesség-függését. Ezeket a méréseket a későbbi molekuláris mérésekkel összehasonlítva következtethetünk a molekula beépülésére.

Molekuláris méréseinket a hidrogén molekulákon végzett vizsgálatokkal kezdtük [M1, M2]. Elsőként végeztünk sub-gap analízist molekuláris rendszereken a transzmissziós együtthatók meghatározására. Megmutattuk, hogy bár a Nb és Ta kontaktusok mechanikai viselkedését erőteljesen megváltoztatja a hidrogénnel való kölcsönhatás, a transzmissziós együtthatók továbbra is a tiszta Nb és Ta-ra jellemzőek. A mechanikai viselkedés megváltozását vélhetően a hidrogén molekulák elektródába történő beoldódása adja.

Balra: dI/dv görbék Nb nanokontaktusokra. Az ábra az elasztikus, transzmissziós tulajdonságokat (sub-gap struktúra) és az inelasztikus gerjesztéseket (negatív differenciális vezetőképesség) is mutatja, zölddel a sub-gap struktúrát kinagyítva. Jobbra: Transzmissziós valószínűségek vezetőképesség-függése az első négy csatornára Sn nanokontaktusok esetén.

Negatív differenciális ellenállás molekuláris kontaktusokon Megmutattuk, hogy egyetlen IV görbe-mérésből mind az elasztikus transzmissziós együtthatókra (sub-gap mérések), mind a molekuláris rendszer inelasztikus gerjesztéseire lehet következtetni [M3]. Molekuláris kontaktusoknál gyakoriak a vezetőképesség görbében megjelenő csúcsok, és előfordulhatnak akár negatív differenciális ellenállást mutató görbék is, amit például egy molekula erősen kötött állapotából egy sokszorosan degenerált, gyengén kötött állapotba történő gerjesztése okozhat. Erre a jelenségre elméleti leírást is adtunk.

Negatív differenciális vezetőképesség Au-H2 rendszeren

	A molekulák bejuttatására alkalmas mintatartó

Megépítettünk egy fűtött kapillárissal felszerelt mintatartót. Ehhez szükség volt egy komolyabb vákuumrendszer összeállítására, hiszen a kapilláris fűtésével a kriogén vákuum védőernyője eltűnik. Ezt a rendszert olyan molekulák beeresztéséhez használhatjuk, amelyek 4K-en már lekondenzálnának. Ezzel a rendszerrel sikeres tesztméréseket végeztünk az irodalomból már ismert Pt-CO rendszeren [16] és jelenleg kisebb molekulák szupravezető elektródákkal való kölcsönhatását vizsgáljuk.

	Vezetőképesség hisztogram tiszta Pt-ra (piros) és a Pt-CO rendszerre (kék)

Várható impakt, további kutatás

A nanoméretű rendszerek viselkedése alapjában eltér a makroszkópikusakétól. Hogy ezt a viselkedést alaposan megértsük, olyan jól definiált modellrendszerekre van szükségünk, amelyeknél ezeket az újszerű tulajdonságokat részletesen tanulmányozhatjuk. Célunk tehát olyan rendszerek kutatása, melyek alapos megértés után mérési standardként szolgálhatnak a molekuláris elektronika területén.

Folytatjuk egyszerű molekulák és különböző elektródák kölcsönhatásának vizsgálatát. Jól definiált  rendszerek esetén lehetőség van ab initio számításokkal való összevetésre, és ezeket a rendszereket szobahőmérsékleten is megvizsgáljuk. Későbbi méréseink olyan komplex szerves molekulákra fognak koncentrálni, melyek előre tervezett tulajdonságaikkal kiváló kapcsolók vagy szenzorok is lehetnek.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája 

[M1] A. Halbritter, Sz. Csonka, P. Makk, Gy. Mihály: Interaction of hydrogen with metallic nanojunctions Journal of Physics: Conference Series 61, 214 – 218 (2007)

[M2] P. Makk, Sz. Csonka és A. Halbritter: Effect of hydrogen molecules on the electronic transport through atomic-sized metallic junctions in the superconducting state  Phys. Rev. B. 78, 045414 (2008).

[M3] A. Halbritter, P. Makk, Sz. Csonka és Gy. Mihály: Huge negative differential conductance in Au-H₂ molecular nanojunctions  Phys. Rev. B. 77, 075402 (2008)

[M4] A. Halbritter, P. Makk, Sz. Mackowiak, Sz. Csonka, M. Wawrzyniak, J. Martinek: Atom by atom narrowing of transition metal nanowires resolved by 2D correlation analysis  arXiv:1006.1811v1, a Nature Nanotechnology-hez benyújtva.

Linkgyűjtemény

Más csoportok honlapja:

Bázeli egyetem nanoelektronika csoportja

Leideni egyetem atomi kontaktusokat vizsgáló csoportja

Lancasteri egyetem elméleti csoportja

Egyéb hasznos anyagok:

Molekuláris elektronika a wikipedián

Supriyo Datta molekuláris elektronika előadása

Thomas Ihn: Semiconductor Nanostructures, ISBN13: 9780199534425. Oxford University Press, 2010

Hivatkozások listája

[1] N. Agräit, A. L. Yeyati, J. M. van Ruitenbeek: Quantum properties of atomic-sized conductors, Phys. Rep.  377, 81 – 279 (2003)

[2] A. Aviram és M.A. Ratner: Molecular Rectifiers. Chem. Phys. Lett. 29, 277 (1974)

[3] A.I. Yanson, G. Rubio Bollinger, H. E. van den Brom, N. Agräit és J. M. van Ruitenbeek: Formation and manipulation of a metallic wire of single gold atoms Nature 395, 783 – 785 (1998).

[4] R.H.M. Smit, et al.: Measurement of the conductance of a hydrogen molecule Nature 419, 906 – 909 (2002).

[5] B. Xu, N. J. Tao: Measurement of single-molecule resistance by repeated formation of molecular junctions Science 301 1221 – 1223 (2003)

[6] L. Venkataraman, Jennifer E. Klare, Colin Nuckolls, Mark S. Hybertsen és Michael L. Steigerwald: Dependence of single molecule junction conductance on molecular conformation Nature 442, 904 – 907 (2006).

[7] S. Wu, et al.: Molecular junctions based on aromatic coupling Nature Nanotechnology  3, 569 – 574 (2008).

[8] S. Y. Quek, et al.: Mechanically controlled binary conductance switching of a single-molecule junction. Nature Nanotechnology 4, 230 – 234 (2009)

[9] S. J. van der Molen, et al.: Light-controlled conductance switching of ordered metal−molecule−metal devices Nano Lett. 9 76 – 80 (2009)

[10] J. Liao, et al.: Cyclic conductance switching in networks of redox-active molecular junctions Nano Lett., 10 759 – 764 (2010)

[11] Jonathan E. Green et al.: A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 1011 bits per square centimeter Nature 445, 414 – 417 (2007)

[12] H. Park, et al.: Nano-mechanical oscillations in a single-C60 transistor Nature 407, 57 – 60 (2000)

[13] E. Scheer et al.: The signature of chemical valence in the electrical conduction through a single-atom contact Nature 394, 154 – 157 (1998).

[14] B. Ludoph, M.H. Devoret, D. Esteve, C. Urbina és J.M. van Ruitenbeek: Evidence for saturation of channel transmission from conductance fluctuations in atomic-size point contacts Phys. Rev. Lett., 82, 1530-3 (1999)

[15] A. Halbritter, et al.:  Quantum interference structures in the conductance plateaus of gold nanojunctions Phys. Rev. B. 69, 121411(R) (2004)

[16] O. Tal, et al.: Molecular signature of highly conductive metal-molecule-metal junctions Phys. Rev. B 80, 085427 (2009)