Cellemembran inspirerer til ny ultratynd elektronisk film

Japanske forskere har udviklet en ny metode til at bygge store områder af halvledende materiale, der kun er to molekyler tykke og i alt 4,4 nanometer høje. Filmene fungerer som tyndfilmstransistorer, og har potentielle fremtidige anvendelser inden for fleksibel elektronik eller kemikaliedetektorer. Disse tyndfilmstransistorer er det første eksempel på halvledende enkeltmolekylære dobbeltlag skabt med væskeopløsningsbehandling, en standard fremstillingsproces, der minimerer omkostningerne.

"Vi ønsker at give elektroniske enheder funktionerne til rigtige cellemembraner:fleksible, stærk, følsom, og super tynd. Vi fandt en ny måde at designe halvledende enkeltmolekylære dobbeltlag, der giver os mulighed for at fremstille store overfladearealer, op til 100 kvadratcentimeter (39 kvadrattommer). De kan fungere som højtydende tyndfilmstransistorer og kan have mange anvendelser i fremtiden, " sagde adjunkt Shunto Arai, den første forfatter på den nylige forskningspublikation.

Professor Tatsuo Hasegawa fra University of Tokyo Department of Applied Physics ledede holdet, der byggede den nye film. Det gennembrud, der er ansvarlig for deres succes, er et koncept kaldet geometrisk frustration, som bruger en molekylær form, der gør det svært for molekyler at sætte sig i flere lag oven på hinanden.

Filmen er gennemsigtig, men kræfterne til tiltrækning og frastødning mellem molekylerne skaber en organiseret, gentaget sildebensmønster, når filmen ses fra oven gennem et mikroskop. Den overordnede molekylære struktur af dobbeltlaget er meget stabil. Forskere mener, at det burde være muligt at bygge den samme struktur ud af forskellige molekyler med forskellige funktionaliteter.

De individuelle molekyler, der anvendes i den aktuelle film, er opdelt i to regioner:et hoved og en hale. Hovedet af et molekyle stables oven på et andet, med deres hale pegende i modsatte retninger, så molekylerne danner en lodret linje. Disse to molekyler er omgivet af identiske hoved-til-hoved-par af molekyler, som alle sammen danner en sandwich kaldet et molekylært dobbeltlag.

Forskere opdagede, at de kunne forhindre yderligere dobbeltlag i at stable sig ovenpå ved at bygge dobbeltlaget ud af molekyler med forskellige længder, så overfladerne af dobbeltlaget er ru og naturligt modvirker stabling. Denne effekt af forskellige længder omtales som geometrisk frustration.

Standardmetoder til at skabe halvledende molekylære dobbeltlag kan ikke kontrollere tykkelsen uden at forårsage revner eller en uregelmæssig overflade. Den geometriske frustration af haler med forskellig længde har gjort det muligt for forskere at undgå disse faldgruber og bygge en 10 cm gange 10 cm (3,9 inches x 3,9 inches) firkant af deres film ved hjælp af den almindelige industrielle metode til løsningsbehandling.

De halvledende egenskaber af dobbeltlaget kan give filmene anvendelser i fleksibel elektronik eller kemisk detektion.

Halvledere er i stand til at skifte mellem tilstande, der tillader elektricitet at flyde (ledere) og tilstande, der forhindrer elektricitet i at flyde (isolatorer). Denne on-off switching er det, der gør det muligt for transistorer hurtigt at ændre viste billeder, såsom et billede på en LCD-skærm. Det enkelte molekylære dobbeltlag skabt af UTokyo-teamet er meget hurtigere end amorfe silicium-tyndfilmtransistorer, en almindelig type halvleder, der i øjeblikket anvendes i elektronik.