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Molecular break-junctions [Elektronische Ressource] : interaction with light and conductance switching / Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe. Jan Ulrich Würfel

134 pages
Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftliche Berichte FZKA 7164 Molecular Break-Junctions: Interaction with Light and Conductance Switching J. U. Würfel Institut f¨ur Nanotechnologie August 2005 Forschungszentrum Karlsruhein der Helmholtz-GemeinschaftWissenschaftliche BerichteFZKA 7164Molecular Break-Junctions:Interaction with Light andConductance SwitchingJan Ulrich WurfelInstitut fur Nanotechnologievon der Fakultat fur Physik der Universitat Karlsruhe (TH)genehmigte DissertationForschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe2005 Impressum der Print-Ausgabe: Als Manuskript gedruckt Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) ISSN 0947-8620 urn:nbn:de:0005-071646Molecular Break-Junctions:Interaction with Light and Conductance SwitchingBruchkontakte mit Molekulen:Wechselwirkung mit Licht und Leitwertsprung eZur Erlangung des akademischen Grades einesDOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTENvon der Fakultat fur Physik derUniversitat Karlsruhe (TH)genehmigteDISSERTATIONvonDipl.-Phys. Jan Ulrich Wur felausBoblingenTag der mundlichen Prufung: 24. Juni 2005 Referent: Prof. Dr. Hilbert von Lohneysen1. Korreferent: Prof. Dr. Elmar Dormann2.
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Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7164










Molecular Break-Junctions:
Interaction with Light and
Conductance Switching



J. U. Würfel
Institut f¨ur Nanotechnologie




















August 2005 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7164
Molecular Break-Junctions:
Interaction with Light and
Conductance Switching
Jan Ulrich Wurfel
Institut fur Nanotechnologie
von der Fakultat fur Physik der
Universitat Karlsruhe (TH)
genehmigte Dissertation
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2005
















Impressum der Print-Ausgabe:


Als Manuskript gedruckt
Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor

Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe

Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)

ISSN 0947-8620

urn:nbn:de:0005-071646Molecular Break-Junctions:
Interaction with Light and Conductance Switching
Bruchkontakte mit Molekulen:
Wechselwirkung mit Licht und Leitwertsprung e
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
von der Fakultat fur Physik der
Universitat Karlsruhe (TH)
genehmigte
DISSERTATION
von
Dipl.-Phys. Jan Ulrich Wur fel
aus
Boblingen
Tag der mundlichen Prufung: 24. Juni 2005
Referent: Prof. Dr. Hilbert von Lohneysen
1. Korreferent: Prof. Dr. Elmar Dormann
2. Korreferent: Prof. Dr. Heiko B. WeberAbstract
In this work, we analyzed electronic transport across metal–molecule–metal bridges using
gold mechanically-controlled break-junctions. In particular, we studied the in uence of il-
lumination on these contacts as well as stochastic conductance uctuations which can be
detected on molecular junctions. When visible light is applied to tunnel junctions, i.e. bare
break-junctions, the conductance increases. This can be explained by thermal expansion
of the electrodes of the break-junction. Molecular contacts also exhibit an increase of the
conductance where the mechanism is not yet clear. Without illumination, we measured thectance of molecular junctions for extended periods of time, this can be performed for
several days. We observed stochastic uctuations of the conductance where one speci c value
of uctuationispreferred. Thispreferredvalueisindependentoftheconductancevalueofthe
junction. Such uctuations were observed on several samples comprising di erent molecules
and might be identi ed with single molecules breaking and re-establishing chemical contact.
Bruchkontakte mit Molekulen:
Wechselwirkung mit Licht und
Leitwertsprunge
Kurzzusammenfassung
In dieser Arbeit wurde elektronischer Transport ub er Metall-Molekul -Metall-Bruc ken mittels
mechanisch kontrollierter Goldbruchkontakte untersucht. Insbesondere ging es dabei um die
WechselwirkungdieserKontakte mitLicht und um stochastischeLeitwertsprun ge,dieanmo-
lekularen Kontakten beobachtet werden konnen. Wurden Bruchkontakte ohne Molekule im
Tunnelregimebeleuchtet,sostiegderLeitwertderProbenan,wasdurchthermischeExpansi-
on der Bruchelektroden erklart werden kann. Bei molekularen Kontakten zeigt sich ebenfalls
eine Stromerhoh ung, deren Mechanismus aber noch unklar ist. Ohne Beleuchtung wurde au-
erdem der Leitwert molekularer Kontakte uber lange Zeitraume, bis zu einigen Tagen, be-
obachtet. Es zeigte sich, dass der Leitwert uktuiert und dass ganz bestimmte Leitwertsprun-
gamplituden gehauft auftreten. Die Sprungamplitude ist dabei unabhangig vom Leitwert.
Solche Sprun ge konnten an mehreren Proben und unter Verwendung verschiedener Molekul e
beobachtetwerden.AlsmoglicheUrsachefur dieseSprun gewerdenMolekul ediskutiert,deren
chemische Bindung zu den Elektroden rei t und neu gebildet wird.
iAbstract
iiDeutsche Zusammenfassung
IndenletztenJahrzehntenkonntedieLeistungsiliziumbasierterSchaltkreisedurchfortschrei-
tendeMiniaturisierungimmerweitergesteigertwerden.DieGro e derkleinstenSchaltelemen-
te nahm dabei exponenziell mit der Zeit ab, was als das Moor’sche Gesetz bekannt ist. Nach
diesem Gesetz werden die kleinsten Halbleiterelemente in 10-20 Jahren atomare Gro enord -
nungen erreichen. In solchen Dimensionen konnen quantenmechanische E ekte nicht mehr
vernachlass igt werden. Au erdem steigen die Produktionskosten mit der Miniaturisierung
stark an, sodass Alternativen zur Siliziumtechnologie immer mehr in den Blickpunkt aktuel-
ler Forschung ruc ken. Die Molekulare Elektronik – bei der einzelne (organische) Molekul e als
Schaltelemente eingesetzt werden sollen – ist dafur ein vielversprechender Ansatz. Molekule
sindgegenwarti gdie kleinstenvorstellbarenfunktionellen Einheitenundkonn enrelativpreis-
werthergestelltwerden.Hinzukommt,dassdieVielfaltdergesamtenorganischenChemiezur
Verfugung steht, sodass es vorstellbar ist, fur praktisch jede Funktion ein passendes Molekul
zu entwickeln.
BevormolekulareElementeinderElektronikzumEinsatzkommenkonnen,mussderelektro-
nischeTransportaufmolekularerEbeneverstandenwerden–diesistGegenstandderaktuellen
Forschung. Um Stromtransportmessungen an Molekul en zu interpretieren, sollte das unter-
suchte System so einfach wie moglic h gehalten werden. Optimal waren einzelne, chemisch
kovalent an die Messelektroden gebundene Molekule. Dafur werden – neben chemisch geeig-
neten Komponenten – Elektroden benotigt, deren Abstand sich auf molekularer Gro ensk ala
zuverlassig regeln lasst. In dieser Arbeit werden elektronenstrahl-lithographisch hergestellte
mechanisch kontrollierbare Gold-Bruchkontakte fur diese Aufgabe verwendet. Das Prinzip ist
inAbbildung1.1aufSeite3dargestellt:AufeinbiegsamesSubstratwirdeineSchichtausPoly-
imid (PI) aufgebracht. Auf diese wird elektronenstrahl-lithographisch ein dun ner Gold-Draht
2strukturiert, der eine Engstelle mit einem Querschnitt von etwa 5050 nm aufweist (eine
unter 45 aufgenommene Rasterelektronenmikroskopaufnahme ist in Abb. 1.1 zu sehen). In
einer reaktiven Ionenatzanlage wird diese Engstelle unteratzt, sodass eine frei stehende Gold-
brucke entsteht. Der Probenchip wird in eine Dreipunkt-Biegevorrichtung eingesetzt (siehe
Abb. 1.1). Um Kontaminationen moglic hst gering zu halten, bendet sich die Biegevorrich-
7tung in einer Vakuumkammer, die bis zu einem Druck von etwa 10 mbar evakuiert wird.
Unter diesen Bedingungen werden die Gegenlager so lange nach unten bewegt, bis die Gold-
brucke rei t. Da die Stempelbewegung in eine Biegung des Substrats umgesetzt wird, die
wiederum den Kontakt auf der Ober ac he dehnt, kann der Abstand der Bruch-Kontaktenden
mit einer Genauigkeit von unter 0,1 A variiert werden.
Die in dieser Arbeit eingesetzten Molekul e sind acetylgeschut zte Dithiole, die alle nach fol-
gendem Prinzip aufgebaut sind:
iii