S-t-r-e-t-c-h-i-n-g elektrisk konduktans til grænsen

Individuelle molekyler er blevet brugt til at skabe elektriske komponenter som modstande, transistorer og dioder, der efterligner egenskaberne ved velkendte halvledere. Men ifølge Nongjian (NJ) Tao, en forsker ved Biodesign Institute® ved Arizona State University, unikke egenskaber, der er forbundet med enkelte molekyler, kan også give kloge designere mulighed for at producere nye enheder, hvis adfærd falder uden for den ydeevne, der observeres i konventionel elektronik.

I forskning, der optræder i dagens nummer af Naturnanoteknologi , Tao beskriver en metode til mekanisk styring af et enkelt molekyls geometri, beliggende i et kryds mellem et par guldelektroder, der danner et simpelt kredsløb. Manipulationerne producerede mere end tidoblet stigning i ledningsevne.

Det usædvanlige, ofte kan ikke-intuitive egenskaber ved enkelte molekyler i sidste ende blive introduceret i en bred vifte af mikroelektronik, velegnet til applikationer, herunder biologisk og kemisk måling; elektroniske og mekaniske apparater.

Delikate molekylære manipulationer, der kræver tålmodighed og finesse, er rutine for Tao, hvis forskning på Biodesigns Center for Bioelektronik og Biosensorer har omfattet arbejde med molekylære dioder, grafenadfærd og molekylære billeddannelsesteknikker. Alligevel, han var overrasket over resultatet beskrevet i det nuværende papir:"Hvis du har et molekyle fastgjort til elektroder, det kan strække sig som et gummibånd, "siger han." Hvis det bliver længere, de fleste mennesker har en tendens til at tro, at ledningsevnen vil falde. En længere ledning er mindre ledende end en kortere ledning. "

Ja, faldende ledningsevne gennem et molekyle observeres almindeligvis, når afstanden mellem elektroderne, der er fastgjort til dens overflade, øges, og molekylet bliver forlænget. Men ifølge Tao, hvis du strækker molekylet nok, noget uventet sker:konduktansen stiger - med en enorm mængde. "Vi ser mindst 10 gange større ledningsevne, simpelthen ved at trække i molekylet. "

Som Tao forklarer, det spændende resultat er et biprodukt af kvantemekanikkens love, som dikterer materiens adfærd på de mindste skalaer:"Et enkelt molekyls ledningsevne er ikke blot omvendt proportional med længden. Det afhænger af energiniveaujusteringen."

I elektrodernes metalledninger, elektroner kan bevæge sig frit, men når de kommer til en grænseflade - i dette tilfælde, et molekyle, der sidder i krydset mellem elektroder - de skal overvinde en energibarriere. Højden på denne energibarriere er afgørende for, hvor let elektroner kan passere gennem molekylet. Ved at anvende en mekanisk kraft på molekylet, barrieren sænkes, forbedring af konduktans.

"Teoretisk set folk har tænkt på dette som en mulighed, men dette er en demonstration af, at det virkelig sker, "Tao siger." Hvis du strækker molekylet og geometrisk øger længden, det sænker energisk barrieren, så elektroner let kan komme igennem. Hvis du tænker optisk, det bliver mere gennemsigtigt for elektroner. "

Årsagen til dette har at gøre med en ejendom kendt som kraftinduceret resonant tunneling. Dette sker, når molekylær energi bevæger sig tættere på elektrodernes Fermi -niveau - det vil sige, mod regionen med optimal konduktans. (Se figur 1) Således når molekylet er strakt, det forårsager et fald i tunnelbarreringsbarrieren.

Til forsøgene, Taos gruppe brugte 1, 4'-Benzenedithiol, den mest undersøgte enhed for molekylær elektronik. Yderligere eksperimenter viste, at transporten af ​​elektroner gennem molekylet undergik et tilsvarende fald, da afstanden mellem elektroderne blev reduceret, får molekylets geometri til at skifte fra en strakt tilstand til en afslappet eller presset tilstand. "Vi skal gøre dette tusinder af gange for at være sikre på, at effekten er robust og reproducerbar."

Ud over opdagelsens praktiske betydning, de nye data viser tæt overensstemmelse med teoretiske modeller for molekylær konduktans, som ofte havde været i strid med eksperimentelle værdier, efter størrelsesordener.

Tao understreger, at enkelte molekyler er overbevisende kandidater til en ny type elektroniske enheder, netop fordi de kan udvise meget forskellige egenskaber fra dem, der observeres i konventionelle halvledere.

Mikroelektromekaniske systemer eller MEMS er kun et domæne, hvor de alsidige egenskaber ved enkelte molekyler sandsynligvis vil sætte deres præg. Disse minimale kreationer repræsenterer en industri på 40 milliarder dollars om året og inkluderer innovationer som optiske switches, gyroskoper til biler, lab-on-chip biomedicinske applikationer og mikroelektronik til mobile enheder.

"I fremtiden, når mennesker designer enheder ved hjælp af molekyler, de får en ny værktøjskasse, de kan bruge. "