Antiaromatisk molekyle viser rekord elektrisk ledningsevne

Forskere demonstrerer høj elektrisk ledningsevne for et antiaromatisk nikkelkompleks - en størrelsesorden højere end for et lignende aromatisk kompleks. Da konduktansen også kan indstilles ved elektrokemisk gating, antiaromatiske komplekser er lovende materialer til fremtidige elektroniske enheder.

Organiske materialer har ofte lavere produktionsomkostninger end traditionelle elektriske ledere som metaller og halvledere. Ikke alle organiske systemer leder elektricitet godt, imidlertid. En klasse af organiske materialer kendt som antiaromatiske forbindelser - med plane ringe af carbonatomer, der deler et antal elektroner, der er et multiplum af fire - er blevet forudsagt at være fremragende ledere, men denne forudsigelse har været svær at verificere, da antiaromatiske molekyler normalt er ustabile. Nu, Shintaro Fujii og Manabu Kiguchi fra Tokyo Institute of Technology og kolleger har udført en systematisk undersøgelse af ladningstransport i en enkelt, stabilt antiaromatisk molekyle. Sammenlignet med et strukturelt beslægtet aromatisk molekyle (hvor carbonringene deler to ekstra elektroner), dens rekord elektriske ledningsevne er en størrelsesorden højere.

Forskerne undersøgte et bestemt norkorrol-baseret nikkelkompleks, Ni(nor), som er antiaromatisk, men stabil, og en strukturelt lignende aromatisk, porphyrin-baseret nikkelkompleks, Ni(porph). De målte ledningsevnen af ​​de to forbindelser ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi break-junction teknik; i sådan en opsætning, strømmen gennem et enkelt molekyle klemt mellem to dele af en brudt forbindelse måles som en funktion af påført spænding. Med en ledningsevne på over 4 ^10-4 konduktans kvanta, Ni(nor) er det mest ledende kendte organometalliske kompleks. Ni(porph) viste sig at have en værdi omkring 25 gange mindre, et resultat, der bekræfter den overlegne ledningsevne af antiaromatiske molekyler. Via teoretiske beregninger af molekylernes elektroniske struktur og ladningstransportegenskaber, forskerne var i stand til at identificere oprindelsen af ​​den antiaromaticitetsforstærkede ledningsevne:for Ni(nor), den laveste ubesatte molekylære orbital ligger tættere på Fermi-niveauet (den mængde arbejde, der skal til for at tilføje en elektron til systemet) end for Ni(porph).

Fujii og kolleger lykkedes også med at demonstrere tunbarhed af enkeltmolekyle-konduktansen af ​​Ni(nor). Ved at anvende en teknik kendt som elektrokemisk gating, som gør det muligt at kontrollere de molekylære energiniveauer i forhold til Fermi-niveauet af source- og drænelektroderne (af enkeltmolekyleforbindelsen) ved at variere et påført elektrokemisk potentiale, forskerne demonstrerede en 5-fold modulering af konduktansen af ​​Ni(nor).

Resultaterne fra Fujii og kolleger viser, at antiaromatiske materialer er lovende billige systemer, der udviser høj elektrisk ledningsevne. Med forskernes ord, deres undersøgelse "giver relevante retningslinjer for design af molekylære materialer til højledende enkelt-molekyle elektronik.

Baggrund

Aromaticitet og antiaromaticitet

Organiske molekyler kaldes aromatiske, når de har en plan ring af carbonatomer med resonansbindinger - en type binding mellem en enkelt- og en dobbeltbinding, hvilket resulterer i høj kemisk stabilitet (dvs. lav reaktivitet). Det arketypiske aromatiske molekyle er benzen, C ₆ H ₆ , med en hexagonal aromatisk ring af kulstofatomer. Antallet af elektroner (såkaldte π-elektroner), der deles af ringen, er altid et multiplum af fire plus to (for benzen, for eksempel, det er seks), en ejendom kendt som Hückels regel.

Antiaromaticitet er en lignende egenskab:en plan carbonring, men med et antal π-elektroner, der er et multiplum af fire (for cyclobutadien, for eksempel, det er fire). En sådan situation resulterer i kemisk ustabilitet.

Fujii og kolleger arbejdede med en stald, nikkelbaseret kompleks med en antiaromatisk del. Sammenlignet med et lignende kompleks med en aromatisk del, dens ledningsevne er en størrelsesorden større, bekræfter den tidligere forudsigelse om, at antiaromatiske molekyler er fremragende elektriske ledere.

Ledningsevne

Hvor godt et materiale leder elektricitet udtrykkes via en størrelse kaldet elektrisk ledningsevne, G. Det er det omvendte af elektrisk modstand, R =1/G. Konduktans er defineret som forholdet mellem strømmen I, der løber gennem materialet (eller, i nærværende værk, et enkelt molekyle) og spændingen V over det. Konduktansenheden er siemens, S, men konduktansværdier er ofte givet med hensyn til konduktans kvantum, G0 ≈ 7,7 x 10 ^–5 S.

Fujii og kolleger opnåede værdier af konduktansen for beslægtede antiaromatiske og aromatiske nikkel-baserede komplekser ved at måle deres strømspænding (I-V) karakteristika i en scanning-tunneling mikroskopi (STM) opsætning.