Hvordan metalatomer kan arrangere sig på en isolator

For at producere bittesmå elektroniske hukommelser eller sensorer i fremtiden, det er vigtigt at kunne arrangere individuelle metalatomer på et isolerende lag. Forskere ved Bielefeld Universitets Kemiske Fakultet har nu vist, at dette er muligt ved stuetemperatur:molekyler af den metalholdige forbindelse molybdænacetat danner en ordnet struktur på isolatorcalciten uden at hoppe til andre positioner eller rotere. Deres resultater er blevet præsenteret i Naturkommunikation tidsskrift. Arbejdet blev udført i samarbejde med forskere fra universiteterne i Kaiserslautern, Lincoln (Storbritannien) og Mainz.

"Indtil nu, det har været vanskeligt at arrangere metalatomer på en isolatoroverflade. Det er nemmere på en metaloverflade, men det er ikke til stor fordel for brug i elektroniske komponenter, " siger professor Dr. Angelika Kühnle, der leder arbejdsgruppen Fysisk kemi I på Det Kemiske Fakultet. "Det er det særlige ved vores undersøgelse:vi har fundet en måde at arrangere metalatomer på isolatorer i en gitterlignende struktur." Isolatorer er materialer, hvor elektroner ikke kan bevæge sig frit og derfor er meget dårlige ledere af elektricitet.

Vanskeligheden ligger i robust forankring af metalatomer selv ved stuetemperatur - uden at de tiltrækker hinanden, hoppe til andre positioner eller rotere. Indtil nu, forskere har været i stand til at arrangere små molekyler på isolatorer ved meget lave temperaturer, men ved stuetemperatur var de for mobile. Større molekyler løste problemet med mobilitet, men dannede hurtigt klynger.

For deres forskning, Kühnle og hendes arbejdsgruppe brugte molybdænacetat, en forbindelse, der indeholder to atomer hver af metallet molybdæn. Det faktum, at denne forbindelse viser interessante strukturelle egenskaber på en guldoverflade, var tidligere blevet opdaget af et forskerhold fra Kaiserslauterns Tekniske Universitet. "Hvis molybdænacetat nu påføres en calcitoverflade, molekylerne danner en ordnet struktur. Det betyder, at molybdæn-atomerne også er arrangeret i et ordnet array, " siger Dr. Simon Aeschlimann, der forskede i Kühnles gruppe og er hovedforfatter på det publicerede studie. "Ved hjælp af forskellige eksperimenter og simuleringer, vi var i stand til at vise, at molybdænacetat-molekylerne hverken hopper eller roterer, de danner heller ikke klynger. De er solidt forankret på calcitoverfladen."

Forskerne udførte eksperimenterne ved hjælp af et atomkraftmikroskop. "I atomkraftmikroskopi, en lille nål scanner overfladen af ​​materialer - som en pladespiller, bortset fra at nålen ikke rører overfladen direkte, men afbøjes af atomkræfter. Dette skaber så et billede af overfladestrukturen, " siger Aeschlimann. Forskerne undersøgte, for eksempel, hvor molybdænacetat-molekylerne er placeret på calcitoverfladen og i hvilken retning de retter sig ind.

Den ordnede struktur skabes, fordi molybdænacetat-molekylerne retter sig præcist efter ladningsfordelingen på calcitoverfladen. Calcit består af calcium- og carbonatbyggesten, der danner en regulær gitterstruktur. "Hvert molybdænacetatmolekyle passer kun et meget specifikt sted på calcitoverfladen og interagerer samtidig ikke med dets nabomolybdænacetatmolekyler. Det betyder, at det er solidt forankret, siger Kühnle.

Som videnskabsmand beskæftiget med ren forskning, Kühnle er interesseret i spørgsmålet om, hvordan molekylære strukturer dannes på overflader eller grænseflader. Men resultaterne er også relevante for elektroniske ansøgninger:hvis, for eksempel, magnetiske metaller kan arrangeres efter samme princip, dette kunne bruges i nanoteknologi til at producere datalagring - dvs. minder, der kun er et par milliontedele af en millimeter store. Andre mulige anvendelsesområder omfatter optiske eller kemiske sensorer.