Team entwickelt Methode zur Kontrolle des Photoswitchings einzelner Moleküle

Wissenschaftler der Abteilung Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut haben eine innovative Entdeckung in der nanoskaligen Optoelektronik gemacht. Die Studie, veröffentlicht im Journal Naturkommunikation und trägt den Titel „Atomic-Precision Control of Plasmon-Induced Single-Molecule Switching in a Metal–Semiconductor Nanojunction“ und stellt eine Methode vor, mit der eine beispiellose Kontrolle über das Photoswitching einzelner Moleküle erreicht werden kann. Dieser Durchbruch könnte die Zukunft der Nanogerätetechnologie verändern.

Die Nano-Optoelektronik ist ein sich rasch entwickelndes Gebiet, das sich auf die Entwicklung elektronischer und photonischer Geräte im Nanometermaßstab konzentriert. Diese winzigen Geräte haben das Potenzial, die Technologie zu revolutionieren, indem sie Komponenten schneller, kleiner und energieeffizienter machen.

Um diese Geräte zu miniaturisieren und zu optimieren, ist es entscheidend, die Photoreaktionen auf atomarer Ebene präzise steuern zu können. Lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSPs), also Lichtwellen, die auf nanometergroßen Materialoberflächen erzeugt werden, haben sich in diesem Bereich als leistungsfähige Werkzeuge erwiesen, die elektromagnetische Felder eindämmen und verstärken können. Bislang war die Anwendung von LSPs hauptsächlich auf metallische Strukturen beschränkt, was laut dem Team die Miniaturisierung der Optoelektronik einschränken könnte.

Über die Nanoskala hinaus: Photoswitching mit atomarer Präzision

Im Mittelpunkt der neuen Forschung steht die Verwendung von LSPs zur Steuerung chemischer Reaktionen auf atomarer Ebene. Einem Team ist es gelungen, die Funktionalität von LSPs auf Halbleiterplattformen auszuweiten. Durch die Verwendung einer plasmonenresonanten Spitze in einem Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop ermöglichten sie das reversible Anheben und Absenken einzelner organischer Moleküle auf einer Siliziumoberfläche.

Das LSP an der Spitze bewirkt das Aufbrechen und Bilden spezifischer chemischer Bindungen zwischen dem Molekül und Silizium, was zu einem reversiblen Schalten führt. Die Schaltrate kann durch die Position der Spitze mit außergewöhnlicher Präzision bis auf 0,01 Nanometer eingestellt werden. Diese präzise Manipulation ermöglicht reversible Änderungen zwischen zwei verschiedenen Molekülkonfigurationen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Durchbruchs ist die Anpassbarkeit der optoelektronischen Funktion durch molekulare Modifikationen auf atomarer Ebene. Das Team bestätigte, dass das Photoschalten bei einem anderen organischen Molekül gehemmt wird, bei dem nur ein Sauerstoffatom, das nicht an Silizium gebunden ist, durch ein Stickstoffatom ersetzt wird. Diese chemische Anpassung ist für die Anpassung der Eigenschaften von optoelektronischen Einzelmolekülgeräten unerlässlich. Sie ermöglicht die Entwicklung von Komponenten mit spezifischen Funktionalitäten und ebnet den Weg für effizientere und anpassungsfähigere nano-optoelektronische Systeme.

Zukünftige Richtungen

Diese Forschung befasst sich mit einer kritischen Hürde bei der Weiterentwicklung von Geräten im Nanomaßstab, indem sie eine Methode zur präzisen Steuerung der Reaktionsdynamik einzelner Moleküle bietet. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Nanoübergänge aus Metall, Einzelmolekülen und Halbleitern als vielseitige Plattformen für die Nano-Optoelektronik der nächsten Generation dienen könnten.

Dies könnte bedeutende Fortschritte in den Bereichen Sensoren, Leuchtdioden und Photovoltaikzellen ermöglichen. Die präzise Manipulation einzelner Moleküle unter Lichteinwirkung könnte die Entwicklung dieser Technologien erheblich beeinflussen und erweiterte Möglichkeiten und Flexibilität bei der Gerätegestaltung bieten.