Konduktansmålinger på grafen -nanoribbons fortæller forskere, hvordan molekylære ledninger kan optimeres

(Phys.org) - Fremtidens elektronik kunne bruge molekyler til at regne. De små partikler kunne derefter overtage de opgaver, der i øjeblikket udføres af siliciumtransistorer, for eksempel. Forskere fra Fritz Haber Institute i Max Planck Society i Berlin har brugt en nanotråd, der potentielt kan lede strøm mellem molekylære transistorer eller forskellige komponenter. Det lille ledende spor består af et smalt grafenbånd, det er en strimmel af et enkelt lag kulstof. Deres næste trin var at bruge et scannende tunnelmikroskop til at udføre komplicerede målinger for at bestemme, hvordan konduktansen af ​​carbonstrimlen afhænger af dens længde og elektronernes energi. De lærte således mere om, hvordan ladning i form af elektroner transporteres gennem nanotråden, og hvordan de ledende spor kan forbedres til potentielle anvendelser inden for nanoelektronik.

En ledning kan næsten ikke være tyndere. Men de rekordstore dimensioner af grafentråde giver ikke kun nye muligheder, de konfronterer også fysikere med udfordringer. Leonhard Grill og hans kolleger ved Berlin Fritz Haber Institute of Max Planck Society har nu taget disse udfordringer op. De begyndte med at producere et smalt grafenbånd, dets design baseret på deres eget og andres arbejde. For det første, de fordampede molekylære uddrag af grafenstrimler på en overflade. Molekylerne blev forsynet med kemiske bindinger, så de i første omgang kombinerede sig til en lang kæde og til sidst dannede en flad, stift bånd.

En sart berøring er nødvendig for at måle ledningsevnen for nanotråde

Derefter startede forskerne i Leonhard Grills gruppe deres virkelige projekt:de målte konduktiviteten af ​​en individuel nanotråd som en funktion af dens længde. "Dette gør det muligt for os at finde ud af, hvordan ladningstransporten i grafen -nanotråden fungerer, "forklarer Leonhard Grill. Denne tilgang giver primært forskerne mulighed for at finde ud af, om deres nanotråd er en perfekt leder, hvis konduktans ikke varierer med længden, som det ville være tilfældet med en metal nanotråd. Forskerne opnåede deres fund i et vanskeligt eksperiment:de bestemte den aktuelle strøm gennem et individuelt grafenbånd, som forbandt spidsen af ​​et scannende tunnelmikroskop med en guldoverflade, ved forskellige spændinger, det er elektronenergier, og på forskellige afstande.

Dette betød, at de i første omgang måtte løfte nanotråden op af overfladen. Det er som at løfte et stykke papir med en våd finger, bortset fra at det at løfte nanotråden kræver en uendelig mere delikat berøring. "Tråden falder let ned igen, især ved højere spændinger mellem spidsen og guldoverfladen, "forklarer Matthias Koch, der gennemførte eksperimenterne som en del af sit doktorgradsarbejde. "Selvom vi nu har nogle tricks til at holde fat i grafenbåndene med spidsen, vi har stadig brug for mange forsøg. "

Kanten af ​​grafenstrimlen påvirker ladningstransporten

Målingerne viste, at strømmen gennem grafentråden ikke flød med relativt lav modstand, som den gør gennem en kobbertråd. Tværtimod, elektronerne flød gennem tråden ved hjælp af en kvantemekanisk proces:de tunnellerede igennem den. Kun kvantepartikler kan tunnelere, og de gør dette altid, når en barriere, som de ikke kunne overvinde i henhold til lovene i klassisk fysik, giver modstand. Partiklerne kommer alligevel kun igennem barrieren på grund af deres kvanteegenskaber. Jo større afstand elektronerne skal overvinde, de færre ankommer til den anden side. "Konduktansen i en nanotråd afhænger derfor meget af dens længde, "siger Matthias Koch. Desuden er væsentligt mindre strømstrømme generelt i tunneleringsprocessen end ved ladningstransporten i en konventionel leder.

Forskerne viste også for første gang, hvordan ladningstransporten afhænger af elektronenergi. Hvis de vælger elektronenergien, så den matcher energien i de molekylære orbitaler, ladetransporten forbedres straks. Orbitaler er de rum i atomer og molekyler, som elektroner, hver har en præcist defineret energi, besætte. "Molekylære orbitaler fungerer som kanaler, der strækker sig over hele molekylet og muliggør effektiv ladningstransport, "siger Leonhard Grill." Hvis vi er uden for disse kanaler, energisk set, så er ladningstransporten dramatisk begrænset. "Denne adfærd har været mistænkt i nogen tid, men Berlin -forskerne har nu demonstreret det på et individuelt molekyle for første gang.

Grafenbåndene er derfor interessante forskningsobjekter for fysikerne, men de er endnu ikke særlig velegnede til applikationer inden for nanoelektronik. Alligevel, et yderligere fund fra deres eksperimenter peger Berlin -forskerne i retning af en perfekt nanotråd:elektrontransportens art afhænger af, hvordan strimlens kant dannes. Forskerne skelner mellem en zigzag- og en lænestolstruktur. Med lænestolstrukturen er carbonatomerne arrangeret således, at deres silhuet ligner en række sæder og armlæn, mens de med zigzagmønsteret følger en simpel op og ned.

Konduktansen ændres, hvis tråden er bøjet

For at sådan en nanotråd virkelig udviser perfekt konduktans - uanset molekylær længde - må forskerne ved Fritz Haber Institute også ændre deres eksperiment. Når spidsen af ​​det scannende tunnelmikroskop løfter grafenbåndet fra guldoverfladen, strimlen bøjer let. Dette ændrer dets elektroniske egenskaber, ligesom vand strømmer uhindret gennem et lige flodleje, alligevel oplever stærk turbulens omkring smalle sving. "Vi har set tegn på, at vi kan observere fremragende konduktans i et grafenbånd, der ikke er bøjet, ”siger Leonhard Grill.

Fysikerne ønsker derfor nu at designe eksperimenter, der tillader konduktansmålinger med lige nanotråde. Blot måling af et grafenbånd, der ligger på en plan overflade, giver ikke øjeblikkeligt det ønskede resultat. "I et eksperimentelt setup som dette, konduktansen af ​​carbonstrimlen påvirkes af den overflade, den ligger på, "forklarer Leonhard Grill. Hans gruppe leder derfor efter måder at undgå disse interaktioner på. Ydermere, Berlin -forskerne vil undersøge molekylære ledninger med forskellige strukturer og sammensætninger - altid med henblik på at få molekyler til at regne, som Leonhard Grill forklarer:"Målet med vores arbejde er at få en grundlæggende indsigt i de fysiske processer i sådanne systemer for i sidste ende ikke kun at finde den perfekte nanotråd, men også designe yderligere elektroniske komponenter fra individuelle molekyler. "