Seit 50 Jahren führt die fortschreitende Miniaturisierung der Computertechnik zu exponentiell ansteigender Rechenleistung, und seit ebenso langer Zeit wird ein nahes Ende dieser Entwicklung aufgrund vermeintlich unüberwindbarer technischer Hürden prognostiziert. Die Entwicklung molekularer Elektronik, bei der elektronische Bauteile durch einzelne Moleküle realisiert werden, ermöglicht die weitere Miniaturisierung über die Entwicklungsgrenzen der aktuellen Halbleitertechnologie hinaus. Ein detailliertes Verständnis der elektrischen und magnetischen Eigenschaften einzelner Moleküle ist hierfür notwendig.




Die vorliegende Arbeit ist eine experimentelle Untersuchung der Spineigenschaften von Molekülen sowie deren Beeinflussung durch Aufbringung auf verschiedene Oberflächen. Mithilfe von Rastertunnelmikroskopie (englisch: scanning tunneling microscopy, STM) und Rastertunnelspektroskopie (scanning tunneling spectroscopy, STS) wurden dabei Eigenschaften an einzelnen Molekülen untersucht, die bisher nur durch Ensemblemessungen bekannt waren.




Im ersten Teil der Arbeit wurden Spinanregungen von molekularen Magneten untersucht, um zu bestimmen, ob und wie sich ihr magnetisches Moment bei der Deposition auf verschiedene Oberflächen verändert und ob sich die Vorhersagen aus Bulkmessungen auf einzelne Moleküle übertragen lassen.




Als typischer Vertreter wurde zunächst Mn12-Acetat auf Metallsubstrate sowie auf dünne Isolatorschichten aufgebracht. Als Substrat wurde dabei Gold (Au(111)) sowie eine Monolage Bornitrid auf Rhodium (BN/Rh(111)) verwendet. Das empfindliche Molekül wurde mittels Elektrospray-Ionisation auf die Proben aufgebracht, und STM-Messungen bestätigten die Deposition von intakten und nicht agglomerierten Molekülen. Mithilfe von STS konnten Spinanregungen in einzelnen Mn12-Molekülen auf BN/Rh angeregt und vermessen werden. Eine Analyse der beobachteten Spinanregungen ergab, dass die durch Bulkmessungen bekannten Spineigenschaften von Mn12 bei der Deposition auf BN/Rh erhalten bleiben; eine wichtige Voraussetzung zur Nutzbarmachung von Mn12 in möglichen Anwendungen. Bei Mn12-Molekülen auf Au konnten keine Spinanregungen festgestellt werden, was vermutlich auf die Reduktion der Mn-Atome durch die Metalloberfläche zurückzuführen ist.




Diese Ergebnisse stellen die erste erfolgreiche Untersuchung der Spineigenschaften von einzelnen Mn12-Molekülen mittels STM dar und zeigen die Eignung von BN/Rh als Substrat für einzelne molekulare Magnete.



Vergleichbare Experimente wurden ebenfalls mit Cr7Ni, einem anderen molekularen Magneten, durchgeführt. Nach der Deposition auf Au(111) konnten einzelne Cr7Ni-Moleküle mittels STM identifiziert werden. STS-Messungen zeigten wie im Fall von Mn12 keine Spinanregungen, was auf eine Veränderung der Spineigenschaften durch den Kontakt mit dem Metall schließen lässt. Auf BN/Rh(111) konnten Cr7Ni-Moleküle nicht stabil abgebildet werden, da sie während der Messungen von der STM-Spitze über die Probe geschoben wurden. STM-Messungen auf Isolatoren wie BN erfordern besonders geringe Abstände zwischen Spitze und Probe.




Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein rein organisches Molekül untersucht, das über ein ungepaartes Elektron und damit einen freien Spin innerhalb einer Nitronyl-Nitroxid-Gruppe (NIT) verfügt. Das ungepaarte Elektron ist über Teile der NIT-Gruppe delokalisiert und dadurch reaktionsträge, so dass es bei der Deposition auf Metallen erhalten bleibt. Durch das ausschließliche Auftreten von s- und p-Orbitalen in organischen Molekülen wird eine Entartung mit höheren Orbitalen verhindert, was die theoretische Modellierung erleichtert.




Die Moleküle wurden auf Au(111) deponiert und mithilfe von STM abgebildet. Mittels STS konnte ein Kondoeffekt beobachtet werden, der sich durch die Kopplung des freien Spins des Moleküls mit den Leitungselektronen des Substrats gebildet hatte. Eine genaue Untersuchung der Kondoresonanz für Temperaturen im Bereich von 1.5 - 16 K und bei Magnetfeldern von bis zu 14 T ergab, dass sich der Kondoeffekt im untersuchten Temperaturbereich im Grenzfall schwacher Kopplung befindet (weak coupling regime).




Da sich bisher untersuchte Kondosysteme von einzelnen freien Spins stets im Bereich starker Kopplung befanden (strong coupling regime), ermöglichen die hier gezeigten Ergebnisse zum ersten Mal den Vergleich mit den ursprünglichen, störungstheoretischen Beschreibungen des Kondoeffekts, die ebenfalls den Bereich schwacher Kopplung beschreiben. Als ein nicht entartetes Spin-1/2-System stellt das untersuchte Molekül das einfachste Modellsystem zur Beschreibung des Kondoeffekts dar. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit sind daher ein idealer Vergleichsmaßstab für bekannte wie auch zukünftige theoretische Modelle.