Electron Transport

Cluster sind die Bausteine einer zukünftigen Nanoelektronik. Ein Beispiel sind Kohlenstoffnanotubes, aus denen sich Drähte, Dioden und Transistoren bauen lassen. Bisher ist dies aber noch Zukunftsmusik, da es nicht gelingt, die Bauteile kontrolliert zu positionieren und zu kontaktieren. Ein erster Schritt in diese Richtung sind Transportmessungen. Ein Cluster wird zwischen zwei Metallelektroden positioniert. Hat der Cluster Kontakt zu beiden Elektroden, ist es möglich, Strom-Spannungs-Kennlinien aufzunehmen und damit die elektrischen Transporteigenschaften des Partikels zu vermessen. Nanoobjekte haben aufgrund der starken Quanteneffekte, die in diesem Größenbereich dominieren, ganz andere elektronische Eigenschaften als makroskopische Festkörper. Vielversprechenden Kandidaten für elektrische Verbindungen sind Nanodrähte aus MoS₂. Ausgangspunkt ist ein Chevrel-Cluster, ein besonders stabiler Cluster aus 6 Metallatomen und 8 Schwefelatomen. Diese Cluster wachsen nur in einer Dimension und bilden Drähte mit der Summenformel Mo_3nS_3n+2 (Bild unten).

Diese Nanodrähte lassen sich mit der PACIS-Quelle erzeugen (Schema und Massenspektrum unten).

Chevrelclusterionen werden mit der PACIS erzeugt, mit einem Flugzeitmassenspektrometer nach der Größe selektiert (Apparaturbild unten) und Cluster ausgewählter Masse zwischen zwei Metallelektroden platziert (Schemazeichnung unten). Die Strom-Spannungskurven hängen von der elektronischen Struktur der Cluster ab und im Vergleich mit Modellrechnungen lassen sich die Transsporteigenschaften bestimmen.

Die schwierige Aufgabe bei diesem Projekt ist das Platzieren der Clusterionen zwischen den beiden Elektroden, die nur 1-2 Nanometer voneinander entfernt sind. Hierzu wird die Methode der Bruchkontakte eingesetzt. Der Ionenstrahl wird möglichst genau auf den Bruchkontakt fokussiert und die Ionen mit möglichst geringer kinetischer Energie deponiert. Diese Apparatur ist zurzeit am Forschungszentrum Rossendorf im Aufbau. Die PACIS-Quelle und das Flugzeitmassenspektrometer stammen aus Konstanz. Die Projektleiter vor Ort sind Sybille Gemming und Arthur Erbe.

Hintergrundinformation:

• N. Bertram, Y. D. Kim, G. Ganteför, Q. Sun, P. Jena, J. Tamuliene and G. Seifert, "Experimental and theoretical studies on inorganic magic clusters: M₄X₆ (M=Mo, W; X=O, S)", Chem. Phys. Lett. 396, 341(2004).
• Nils Bertram, Jörn  Cordes, Young Dok Kim, Sibylle Gemming, Gotthard Seifert, Gerd Ganteför, "Nanoplatelets made from MoS₂ and WS₂", Chem.Phys.Lett. 418, 36 (2006).
• S. Gemming, J. Tamuliene, G. Seifert, N. Bertram, Y.D. Kim, and G. Ganteför, "Electronic and geometric structures of Mo_xS_y and W_xS_y (x= 1,2,4, y= 1-12) clusters", App. Phys. A 82, 161 (2006).
• G. Seifert, S. Gemming, N. Bertram, T. Fischer, M. Goetz, G. Gantefoer, "One-dimensional (Mo₃S₃)_n Clusters: building blocks of clusters materials and ideal nanowires for molecular electronics", Chem. Phys. Lett. 474, 127 (2009).