Buckyballs og diamantoider går sammen i en lille elektronisk gadget

Forskere har giftet sig med to ukonventionelle former for kulstof - en formet som en fodbold, den anden en lille diamant – for at lave et molekyle, der kun leder elektricitet i én retning. Denne lille elektroniske komponent, kendt som en ensretter, kunne spille en nøglerolle i at krympe chipkomponenter ned til størrelsen af ​​molekyler for at muliggøre hurtigere, mere kraftfulde enheder.

"Vi ville se, hvad nyt, nye egenskaber kan komme frem, når du sætter disse to ingredienser sammen for at skabe en 'buckydiamondoid,' '" sagde Hari Manoharan fra Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. "Det, vi fik, var en dybest set en envejsventil til at lede elektricitet - klart mere end summen af ​​dens dele."

Forskerholdet, som omfattede forskere fra Stanford University, Belgien, Tyskland og Ukraine, rapporterede sine resultater 9. september, 2014 i Naturkommunikation .

To offbeat Carbon-karakterer mødes

Mange elektroniske kredsløb har tre grundlæggende komponenter:et materiale, der leder elektroner; ensrettere, som almindeligvis har form af dioder, at styre denne strøm i en enkelt retning; og transistorer til at tænde og slukke for flowet. Forskere kombinerede to offbeat ingredienser - buckyballs og diamondoids - for at skabe den nye diode-lignende komponent.

Buckyballs – forkortelse for buckminsterfullerenes – er hule kulstofkugler, hvis opdagelse i 1985 gav tre forskere en Nobelpris i kemi. Diamantoider er bittesmå kulstofbure bundet sammen, som de er i diamanter, men vejer mindre end en milliardtedel af en milliardtedel af en karat. Begge er genstand for en masse forskning, der sigter mod at forstå deres egenskaber og finde måder at bruge dem på.

I 2007 et hold ledet af forskere fra SLAC og Stanford opdagede, at et enkelt lag diamantoider på en metaloverflade effektivt kan udsende en stråle af elektroner. Manoharan og hans kolleger undrede sig:Hvad ville der ske, hvis de parrede en elektron-emitterende diamantoid med et andet molekyle, der kan lide at gribe elektroner? Buckyballs er bare den slags elektron-gribende molekyle.

En meget lille ventil til kanalisering af elektronstrøm

Til denne undersøgelse, diamantoider blev produceret i SLAC-laboratoriet hos SIMES-forskerne Jeremy Dahl og Robert Carlson, som er verdenseksperter i at udvinde de bittesmå diamanter fra petroleum. De blev derefter sendt til Tyskland, hvor kemikere ved Justus-Liebig University fandt ud af, hvordan de skulle fastgøres til buckyballs.

De resulterende buckydiamondoids, som kun er nogle få nanometer lange, blev testet i SIMES laboratorier i Stanford. Et hold ledet af kandidatstuderende Jason Randel og postdoc-forsker Francis Niestemski brugte et scanningstunnelmikroskop til at lave billeder af hybridmolekylerne og måle deres elektroniske adfærd. De opdagede, at hybriden er en fremragende ensretter:Den elektriske strøm, der strømmede gennem molekylet, var op til 50 gange stærkere i én retning, fra elektronspyttende diamantoid til elektronfangende buckyball, end i den modsatte retning. Dette er noget, ingen af ​​komponenterne kan gøre alene.

Selvom dette ikke er den første molekylære ensretter nogensinde opfundet, det er den første lavet af kun kulstof og brint, en enkelhed, som forskere finder tiltalende, sagde Manoharan, der er lektor i fysik ved Stanford. Det næste skridt, han sagde, er at se, om transistorer kan konstrueres af de samme grundlæggende ingredienser.

"Buckyballs er nemme at lave - de kan isoleres fra sod - og den type diamantoid vi brugte her, som består af to små bure, kan købes kommercielt, " sagde han. "Og nu hvor vores kolleger i Tyskland har fundet ud af, hvordan de skal binde dem sammen, andre kan følge opskriften. Så mens vores forskning var rettet mod at opnå grundlæggende indsigt om et nyt hybridmolekyle, det kan føre til fremskridt, der hjælper med at gøre molekylær elektronik til en realitet."