Femkantede fliser baner vejen mod organisk elektronik

(PhysOrg.com)-Ny forskning baner vej for nanoskala selvsamling af organiske byggesten, en lovende ny rute mod den næste generation af ultra-små elektroniske enheder.

Ringlignende molekyler med usædvanlig femdobbelt symmetri binder sig stærkt til en kobberoverflade, på grund af en væsentlig afgiftsoverførsel, men oplever bemærkelsesværdigt små problemer med sidelæns diffusion, og udviser overraskende lidt interaktion mellem nabomolekyler. Denne hidtil usete kombination af funktioner er ideel til spontan skabelse af stabile tynde film med høj tæthed, bestående af en belægning af disse organiske femkantede fliser, med potentielle applikationer inden for computere, solenergi og nye displayteknologier.

I øjeblikket, kommerciel elektronik bruger en top-down tilgang, med fræsning eller bortætsning af uorganisk materiale, såsom silicium, at gøre en enhed mindre. I mange år er computerkraften for en given størrelse computerchip blevet fordoblet hver 18. måned (et fænomen kendt som Moores lov), men en grænse for denne vækst forventes snart. På samme tid, effektiviteten af ​​at koble elektroniske komponenter til indkommende eller udgående lys (enten ved generering af elektricitet fra sollys, eller ved frembringelse af lys fra elektricitet i fladskærme og belysning) er også grundlæggende begrænset af udviklingen af ​​fremstillingsteknikker i nanometerskalaen.

Forskere leder derfor efter geniale løsninger i skabelsen af ​​stadig mindre elektronik. Området for nanoteknologi tager en bottom-up tilgang til at skabe elektronik ved hjælp af naturligt selvsamlende organiske komponenter, såsom polymerer, som vil være i stand til spontant at danne indretninger med de ønskede elektroniske eller optiske egenskaber.

De seneste resultater er fra forskere ved University of Cambridge og Rutgers University, som arbejder på udviklingen af ​​nye klasser af organiske tynde film på overflader. Ved at studere de grundlæggende kræfter i spil i selvsamlende tynde film, de udvikler den viden, der vil give dem mulighed for at skræddersy disse film til organisk-elektroniske enheder i molekylær skala, skabe mindre komponenter, end det nogensinde ville være muligt med konventionelle fremstillingsteknikker.

Dr. Holly Hedgeland, ved Institut for Fysik ved University of Cambridge, en af ​​medforfatterne til papiret, der rapporterer forskningen, sagde:"Med halvlederindustrien i øjeblikket en estimeret værdi på 249 milliarder dollars om året er der en klar motivation mod en molekylær skalaforståelse af innovative teknologier, der kunne komme til at erstatte dem, vi bruger i dag."

Det er ikke blot de elektroniske egenskaber af et molekyle på en overflade, der vil kontrollere dets potentiale til at indgå i en enhed, men også om det vil bevæge sig af sig selv til den nødvendige strukturelle konfiguration og forblive stabilt i den position, selvom enheden bliver opvarmet under brug.

Molekyler, der er stærkt bundet til substratet med en høj grad af ladningsoverførsel, tilbyder en række nye muligheder, selvom man i øjeblikket ikke kender til deres adfærd. En række organiske molekyler, normalt med kulstofringe, som elektronisk ladning kan lede på tværs af, potentielt demonstrere de rigtige elektroniske egenskaber, men de langtrækkende kræfter, som vil styre deres selvsamling under de første vækstfaser, forbliver ofte et mysterium.

Nu er det tværfaglige team baseret i afdelingerne for fysik og kemi ved University of Cambridge, og Institut for Kemi og Kemisk Biologi ved Rutgers University, har rapporteret de første dynamiske målinger for en ny klasse af organisk tynd film, hvor cyclopentadienyl molekyler (C5H5) modtager betydelig elektronisk ladning fra overfladen, alligevel diffunderer let hen over overfladen og viser interaktioner med hinanden, der er meget svagere, end det typisk ville forventes for mængden af ​​overført ladning.

Hedgeland forklarede:"Ved at koble den eksperimentelle heliumspin-ekkoteknik med avancerede beregninger af de første principper, vi var i stand til at studere den dynamiske opførsel af et cyclopentendienyllag på en kobberoverflade, og at udlede, at ladningsoverførslen mellem metallet og det organiske molekyle fandt sted i en kontraintuitiv forstand."

Dr Marco Sacchi, fra Institut for Kemi ved University of Cambridge, som udførte de beregninger, der hjalp med at forklare de overraskende nye eksperimentelle resultater, sagde, at "nøglen til den unikke adfærd af cyclopentadienyl ligger i dens femkantede (fem-fold) symmetri, som forhindrer det i at låse på et hvilket som helst sted inden for kobberoverfladens trekantede (tredobbelte) symmetri gennem retningsbestemte kovalente bindinger, lade det være let at flytte fra sted til sted; på samme tid, dens interne elektroniske struktur mangler kun én elektron i en ekstremt stabil `` aromatisk '' konfiguration, opmuntrer til en høj grad af ladningsoverførsel fra overfladen og skaber en stærk ikke-retningsbestemt ionbinding."

Forskernes resultater, rapporteret i Fysiske anmeldelsesbreve i dag, fredag ​​06 maj, fremhæve potentialet i en ny kategori af molekylært adsorbat, som kunne opfylde alle de nødvendige kriterier for brugbar anvendelse.

Hedgeland konkluderede:"Den usædvanlige karakter af ladningsoverførslen i dette tilfælde forhindrer de store frastødende interaktioner mellem tilstødende molekyler, som ellers ville have været forventet, og bør derfor muliggøre dannelsen af ​​usædvanligt højdensitetsfilm. På samme tid, molekylerne forbliver meget mobile og alligevel stærkt bundet til overfladen, med en høj grad af termisk stabilitet. I alt, dette er en kombination af fysiske egenskaber, der giver en enorm potentiel fordel for udviklingen af ​​nye klasser af selvsamlede organiske film, der er relevante for teknologiske anvendelser."