1.1  A kutatás célja

Az elmúlt időszakban végzett széleskörű kutatások alapján napjaink félvezető technológiáját egyetlen vagy néhány molekulából felépülő tranzisztorok, memóriaelemek, illetve egyedi molekulákból kialakított kiemelkedő érzékenységű szenzorok válthatják fel. Megbízható molekuláris nanoszerkezetek létrehozása azonban kifejezetten nehéz, hiszen a félvezető nanoszerkezeteknél megszokott mérnöki tervezés helyett a különböző anyagok és molekulák között atomi méretskálán kialakuló, részleteiben nem ismert kémiai kölcsönhatásokra kell hagyatkozni. Ezen jelenségek részletes feltérképezése elengedhetetlen feltétele a molekuláris elektronikai eszközök fejlesztésének. A molekuláris elektronikához szorosan kapcsolódó terület a különböző ionos vezetőkben kialakuló atomi kapcsolási jelenségek vizsgálata, melyek terén már a konkrét felhasználáshoz közeli eredmények is felvonultathatók. Szintén a molekuláris elektronikához kapcsolódik a szén nanoszerkezetek (grafén, szén nanocsövek, fullerén molekulák) vizsgálata. Grafénból készült nanoszerkezetek természetüknél fogva kifejezetten perspektivikusak egyedi szerves molekulák kontaktálására, ráadásul a kétdimenziós jellegnek köszönhetően a kialakított molekuláris nanoszerkezet könnyen vizsgálható pásztázó szondás módszerekkel. Molekuláris detektorként a fenti rendszerek mellett félvezető nanoszerkezetek is kiválóan használhatók.

A projekt keretében molekuláris és atomi nanoszerkezeteket egymást kiegészítő módszerekkel kívánjuk vizsgálni:

• Molekuláris nanokontaktusok létrehozása törő kontaktus technikával szobahőmérsékleten és kriogenikus körülmények között
• Molekuláris nanoszerkezetek létrehozása elektronsugár litográfiával definiált nanoszerkezetekből. Elektromigrációs technikák alkalmazása fém és grafén kontaktusokkal.
• Félvezető nanoszerkezetekből készült kvantum dotok és egyéb érzékeny detektorok vizsgálata
• STM elrendezésben kialakított molekuláris kontaktusok és ionos vezető nanoszerkezetek vizsgálata
• Pásztázó szondás mérési módszerek fejlesztése molekuláris és atomi kontaktusok vizsgálatára, vezetőképesség mérések kiegészítése erőmérésekkel.

1.2  Technikai leírás

A fenti projekt teljesítésének intézményi hátterét a TTK Fizikai Intézet, valamint a Kondenzált Anyagok Fizikája MTA-BME Kutatócsoport biztosítja.  A korszerű kutatási feltételeket – elsősorban a kísérleti infrastruktúra területén – a korábbi pályázati forrásokból végzett fejlesztések biztosítják. A kísérleti laboratóriumok közül ezen a területen kiemelendő Fizika Tanszék alacsony hőmérsékleti szilárdtestfizikai laboratóriuma.

A doktori iskolában végzett kutatásokban egyformán szerepet kapnak a kísérleti és elméleti vizsgálatok. Az alapkutatási témák egyik legnagyobb erősségét jelenti ezek szoros kapcsolata:
a kísérleti kutatók biztos elméleti háttérre támaszkodhatnak, az elméletiek pedig közvetlen kapcsolatba kerülnek azokkal a laboratóriumokkal, ahol a kísérleti megfigyelések történnek. Az alkalmazott területeken végzett az eszközfejlesztések, az új minősítő és analitikai eljárások kidolgozása szintén nem nélkülözheti a modellszámításokat, szimulációkat. Az elméleti és kísérleti kutatók közti kooperáció hatékony munkát és gyors témakövetést tesz lehetővé.

A fenti kutatásokban kiemelkedően számításigényes terület  a molekuladinamikai szimuláció, ahol tervezzük a klaszter alapú szuperszámítógép  alkalmazását is.

1.3  A várt eredmények összefoglalása

• Egyedi molekulák megbízható kontaktálási technikáinak kidolgozása
• Újszerű minősítési eljárások fejlesztése a kialakuló molekuláris konfigurációk feltérképezésére
• Grafén alapú molekuláris nanoszerkezetek készítése
• Félvezető alapú érzékeny detektorok kialakítása
• Ionos vezetésen alapuló memóriaelemek fejlesztése, és részletes minősítése

1.4  Az elérni kívánt eredmények jelentősége és alkalmazásai

Az előző fejezetben ismertetett konkrét szakmai eredményeket elsősorban nanotechnológiai és anyagtudományi jelentőségűek. 

 A doktori képzés szempontjából ezen túlmutató, jelentős eredményként jelenik meg a készülő disszertációk magas színvonalának folyamatos biztosítása. A Fizikai Tudományok Doktori Iskola a fokozatszerzés feltételéül előírja, hogy a hallgatónak legalább 4 angol nyelvű tudományos közleménye legyen, melyből 3 a „Web of Science” adatbázisban szereplő folyóiratban jelent meg, és ezek közül 2 első szerzős publikáció (további impakt-faktor elvárások, lásd: http://dept.phy.bme.hu/phd/index.htm). Ezzel iskolánk a fizikai tudományágú doktori iskolák között Magyarországon a legmagasabb követelményeket támasztja.

 1.5  A tehetséggondozás formája a kutatások során

A tervezett kutatások során a doktoranduszok munkáját napi munkakapcsolat szintjén irányítják a témavezetők: a tehetséges hallgatók előtt egyéni fejlődési lehetőség nyílik meg. A hallgatók folyamatos visszajelzést kapnak szakmai előrehaladásukról a doktorandusz-beszámolók értékelése, valamint a doktori iskolán belüli szemináriumokon tartott előadásaik megvitatása során.

Nemzetközi együttműködéseinkre támaszkodva hallgatóink nívós külföldi intézményekben szerezhetnek tapasztalatokat. Előadói képességeiket nemzetközi konferenciákon való részvétellel fejleszthetik.

PROJEKT ELŐREHALADÁSI JELENTÉSEK

Időtartam: 2011. december 31-  2012. június 30

Az első projekt előrehaladási jelentésben ismertetett általános céloknak megfelelően haladtak a molekuláris elektronika témájú kutatások:

• Törőkontaktus technikához újszerű, korreláció-analízisen alapuló adatkiértékelési módszereket fejlesztettünk, melyről a beszámolási időszakban tudományos közlemény jelent meg:

P Makk, D Tomaszewski, J Martinek, Z Balogh, Sz Csonka, M Wawrzyniak, M Frei, L Venkataraman, A Halbritter, Correlation Analysis of Atomic and Single-Molecule Junction Conductance, ACS NANO (ISSN: 1936-0851) 6: pp. 3411-3423. Paper -. (2012), IF: 9.855, Független hivatkozások: 2

• Alacsony hőmérsékleti törőkontaktus módszerrel befejeztük a Pt-CO molekuláris kontaktusok vizsgálatát. Eredményeink alapján megállapítható, hogy a CO molekula először merőleges konfigurációban kötődik a kontaktusba, majd a széthúzás során párhuzamos konfigurációba fordul. Mindkét konfiguráció olyan erős kötést alkot, hogy az egyedi CO molekulán keresztül Pt atomi lánc húzható. Az eredményekről publikáció jelent meg:

P. Makk, Z. Balogh, Sz. Csonka, A. Halbritter, Pulling Platinum Atomic Chains by Carbon Monoxide Molecules, NANOSCALE (ISSN: 2040-3364) Published online as a just accepted manuscript (2012), DOI: 10.1557/opl.2011.1474, IF: 4.109

• Sikeres tesztméréseket végeztünk a fejlesztés alatt álló pásztázó alagútmikroszkóp (STM) elrendezéssel.

A fenti kutatások mellett fontosnak tartjuk a doktori iskola magas színvonalú képzését. Ennek érdekében a beszámolási időszakban új tartalmakkal bővítettük az „Új kísérletek a nanofizikában” c. tárgyat, és heti rendszerességgel nanofizika szemináriumot szerveztünk, melyen a doktori iskola nanofizikai témával foglalkozó tagjai a frissen megjelent szakirodalom tanulmányozásával betekintést nyújtottak a szakterület világszerte elért legkiemelkedőbb eredményeibe.

A projekt eredményeinek hasznosulása:

Makk Péter sikeresen megvédte Investigation of atomic and molecular nanojunctions beyond conductance histograms című PhD értekezését és fokozatot szerzett.

Időtartam: 2012. július 1-  2013. január 15.

 A molekuláris elektronikai kutatások a kitűzött céloknak megfelelően haladtak.

•  Alacsonyhőmérsékleti törőkontaktus mérőrendszer segítségével CO molekulák és különböző fémes kontaktusok kölcsönhatását vizsgáltuk. Ag-CO rendszeren végzett méréseink eredményeit elméleti ab initio számításokkal vetettük össze. Korreláció analízis segítségével megállapítottuk, hogy egymolekulás CO kontaktus kialakulása előtt molekuláris prekurzor konfigurációk alakulnak ki.

• Kifejlesztésre került egy szobahőmérsékleti, komplex szerves molekulák vizsgálatára is alkalmas mérőrendszer.
• Elektromigrációs kontaktusok vizsgálatára alkalmas mérőrendszert fejlesztettünk. Elkezdük grafén nanoszerkezetek tervezését és gyártását, melyeket electroburning technikával kívánunk atomi méretskálára vékonyítani.
• Befejeztük a saját tervezésű szobahőmérsékleti pásztázó alagútmikroszkóp fejlesztését. Jelenleg a mérőrendszer atomi erő mikroszkóp (AFM) üzemmóddal történő kiegészítése folyik.
• Atomi méretű rezisztív kapcsolókon végeztünk méréseket Ag-Ag₂S-Pt rendszeren. megmutattuk, hogy a két állapot közötti kapcsolás nemexponenciális relaxációt mutat.

 A fenti kutatások mellett fontosnak tartjuk a doktori iskola magas színvonalú képzését. Ennek érdekében a beszámolási időszakban heti rendszerességgel nanofizika szemináriumot szerveztünk, melyen a doktori iskola nanofizikai témával foglalkozó tagjai a frissen megjelent szakirodalom tanulmányozásával betekintést nyújtottak a szakterület világszerte elért legkiemelkedőbb eredményeibe.

 A beszámolási időszakban három molekuláris elektronikai kutatásokhoz kapcsolódó hallgató (Balogh Zoltán, Pósa László és Scherübl Zoltán) felvételt nyert a Fizika Tudományok  Doktori iskolába.

A 2012. őszén megrendezett egyetemi TDK konferencián molekuláris elektronika témakörben két dolgozat lett benyújtva, Gubicza Ágnes „Nanométeres skálájú memrisztorok kapcsolási dinamikájának kísérleti vizsgálata” c. dolgozatával első díjat és rektori különdíjat nyert, Magyarkuti András „Pásztázó szondás mikroszkóp fejlesztése” c. dolgozatával pedig második díjat nyert. Dr. Halbritter András és Dr. Csontos Miklós TÁMOP TDK tehetség díjban részesültek.

 A projekt eredményeinek hasznosulása:

 Tapasztó Orsolya sikeresen megvédte Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilícium-nitrid nanokompozitok című PhD értekezését és fokozatot szerzett.

Időtartam: 2013. január 15-  2013. június 30.

A molekuláris elektronikai kutatások a kitűzött céloknak megfelelően haladtak.

• Befejeztük a kombinált STM-AFM rendszer fejlesztését. STM üzemmódban sikerült atomi felbontású képeket készítenünk grafit minta felületéről, mely jól demonstrálja a mikroszkóp stabilitását. AFM üzemmódban elektronsugár-litográfiával készült szerkezetekről készítettünk felvételeket kvarcoszcillátor alapú erőszenzor segítségével, mely alapján AFM üzemmódban is elértük a számunkra szükséges felbontást.
• Ag-Ag₂S-Pt rendszer kapcsolási dinamikájának vizsgálatára GHz-es tartományban is működő mérőrendszert készítettünk. Megmutattuk, hogy a kialakult nanométeres skálájú rezisztív kapcsolók 1ns-nál rövidebb pulzussal is átkapcsolhatók ON és OFF állapotok között.
•  Sikeresen kontaktáltunk grafén mintákat magasabb hőmérsékletű szupravezető elektródákkal (pl. Nb), ami megnyitotta az utat Cooper-párok viselkedésének a tanulmányozására kvantum-Hall élállapotok jelenlétében.

A fenti kutatások mellett fontosnak tartjuk a doktori iskola magas színvonalú képzését. Ennek érdekében a beszámolási időszakban heti rendszerességgel nanofizika szemináriumot szerveztünk, melyen a doktori iskola nanofizikai témával foglalkozó tagjai a frissen megjelent szakirodalom tanulmányozásával betekintést nyújtottak a szakterület világszerte elért legkiemelkedőbb eredményeibe.

A 2013. tavaszán megrendezett OTDK konferencia nanofizika szekciójában kutatócsoportunkból Balogh Zoltán Egyedi molekulák kontaktálására alkalmas mérőrendszer fejlesztése c. dolgozatával kiemelt különdíjat, Márton Attila Teljesen hangolható kvantum pöttyök InAs nanopálcán c. dolgozatával 3. helyezést, Gubicza Ágnes Nanométeres skálájú memrisztorok kapcsolási dinamikájának kísérleti vizsgálata c. dolgozatával 2. helyezést, Magyarkuti András pedig Pásztázó szondás mikroszkóp fejlesztése c. dolgozatával első helyezést ért el, illetve ő képviselte az egész fizika – földtudományok – matematika szekciót az MTA-n megrendezett különböző szekciók közötti előadóversenyen.