Dr. Hongying Gao bei der Arbeit im Labor Foto: WWU
Münster (upm), 17. August 2012
Am Fachbereich Physik der Universität Münster ist ein neuer Stipendiat der Alexander-von-Humboldt-Stiftung zu Gast: Dr. Hongying Gao von der University of Science and Technology of China in Hefei im Südosten Chinas. Diese Universität ist zugleich eine Institution der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und zählt zu den Spitzenuniversitäten in China. Der 29-jährige Hongying Gao hat dort seinen Abschluss als Bachelor of Physics gemacht und anschließend seine Promotion an der gleichen Universität in einer renommierten Gruppe durchgeführt, die auf herausragende Rastertunnelmikroskop- Experimente spezialisiert ist.
Hongying Gao arbeitet als Stipendiat im münsterschen Center for Nanotechnology (CeNTech) in der Gruppe von Prof. Dr. Harald Fuchs. Er forscht dort als Experte für Rastertunnelmikroskopie auf dem Gebiet der sogenannten Nano-Optoelektronik, einer Kombination von Optik und Elektronik im Nanomaßstab. Dabei setzt er die Methode der Raman-Spektroskopie ein, um einzelne Moleküle zu untersuchen. Die Raman-Spektroskopie ist für die Routineanalytik in Chemie und Biologie heute unerlässlich und daher weit verbreitet, allerdings benötigt man hierzu, selbst bei den besten heute verfügbaren Geräten, eine sehr große Zahl von Molekülen. Hongying Gao dagegen gelingt es, mithilfe einer Weiterentwicklung dieser Methode auch einzelne Moleküle zu untersuchen.
Die Arbeiten des chinesischen Wissenschaftlers stellen nicht nur wichtige Grundlagenexperimente dar, die beispielsweise zur Entwicklung vielversprechender nanoanalytischer Methoden im Bereich der spektroskopischen Optoelektronik an Einzelmolekülen führen. Sie sind auch für das Verständnis und die Weiterentwicklung von optoelektronischen Bauelementen wie zum Beispiel organischen Leuchtdioden wichtig, wie sie inzwischen bereits in Displays von Mobiltelefonen, aber auch größeren Bildschirmen zu finden sind. Die experimentelle Ausstattung am CeNTech und die enge Kooperation mit Chemikern ist für die Durchführung der Experimente hervorragend geeignet.
Hintergrund:
Bei der Nano-Optoelektronik auf Einzelmolekülebene, dem Spezialgebiet von Hongying Gao, werden einzelne Moleküle auf extrem kleinen Raum zwischen zwei Elektroden eingeschlossen und von Strom durchflossen. Dieser kann durch Wechselwirkung mit dem Molekül unter ganz bestimmten Umständen zur Lichtemission führen. Das abgestrahlte Licht wiederum kann in den beiden anregenden Elektroden zu kollektiven Elektronenschwingungen führen, die den Effekt verstärken und dadurch die Raman-Spektroskopie an Einzelmolekülen erlauben.
Die benötigte Elektrodenanordnung für die Durchführung der Experimente kann mithilfe eines Rastertunnelmikroskops erzeugt werden. Dessen feine Nadel kann nicht nur Atome und Moleküle durch den quantenmechanischen Tunneleffekt abbilden und zur Lichtemission anregen. Zugleich kann sie mithilfe einer flachen leitfähigen Gegenelektrode das benötigte Nano-Volumen - einen Hohlraum zwischen Nadelspitze und Gegenelektrode - ausbilden. Es entsteht so ein "Nano-Labor", in dem extrem hohe elektrische Feldstärken auf einfache Weise erzeugt werden können. Da diese Tunnelspitze über einer Oberfläche frei positionierbar ist, gelingt es leicht, einzelne Moleküle aufzufinden und abzubilden und anschließend das optoelektronische Experiment mit einem bestimmten Molekül durchzuführen. Dies alles geschieht bei tiefen Temperaturen und unter sehr guten Vakuumbedingungen.
Die Ziele von Hongying Gao gehen über die einfache Emission von Licht aus Einzelmolekülen hinaus. Er will nun im CeNTech an die ersten Erfolge während seiner Doktorarbeit anknüpfen und den methodischen Ansatz für weitere Anwendungen ausbauen. Unter anderem möchte er erstmals die Wechselwirkung eines einzelnen, im Tunnelkontakt angeregten Moleküls mit Nachbarmolekülen untersuchen, die etwas außerhalb des durch die Spitze und Oberfläche gebildeten Nano-Labors liegen, um so den Energietransfer zwischen einzelnen Molekülen besser zu verstehen.