Styring af ladninger gennem enkeltmolekyler:Fremskridt med udvikling af nanoskalaelektronik

Forskere står over for en række barrierer, når de forsøger at udvikle kredsløb, der er mikroskopiske i størrelse, herunder hvordan man pålideligt styrer strømmen, der strømmer gennem et kredsløb, der er bredden af ​​et enkelt molekyle.

Alexander Shestopalov, en adjunkt i kemiteknik ved University of Rochester, har gjort netop det, og derved tage os et skridt tættere på nanoskala kredsløb.

"Indtil nu, forskere har ikke været i stand til pålideligt at styre en ladning fra et molekyle til et andet, "sagde Shestopalov." Men det er præcis det, vi skal gøre, når vi arbejder med elektroniske kredsløb, der er et eller to tynde molekyler. "

Shestopalov arbejdede med en OLED (organisk lysemitterende diode) drevet af en mikroskopisk lille, simpelt kredsløb, hvor han forbandt et tyndt ark med et molekyle af organisk materiale mellem positive og negative elektroder. Nyere forskningspublikationer har vist, at det er svært at styre strømmen, der bevæger sig gennem kredsløbet fra den ene elektrode til den anden i et så tyndt kredsløb. Som Shestopalov forklarer i et papir offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialegrænseflader , nøglen var at tilføje et sekund, inert lag af molekyler.

Det inerte-eller ikke-reaktive-lag er lavet af en lige kæde af organiske molekyler. Ovenpå fungerer et lag af aromatiske-eller ringformede-molekyler som en ledning, der leder den elektroniske ladning. Det inaktive lag, træde i kræft, fungerer som plasthuset på elektriske ledninger ved at isolere og adskille de strømførende ledninger fra det omgivende miljø. Da bundlaget ikke er i stand til at reagere med det overlappende lag, komponentens elektroniske egenskaber bestemmes udelukkende i det øverste lag.

Det to-lags arrangement gav også Shestopalov muligheden for at finjustere sin kontrol over ladningsoverførslen. Ved at ændre de funktionelle grupper - enheder af atomer, der erstatter brint i molekyler og bestemmer et molekyls karakteristiske kemiske reaktivitet - kunne han mere præcist påvirke den hastighed, hvormed strømmen bevægede sig mellem elektroderne og det øverste lag af organiske molekyler.

I molekylære elektroniske enheder, nogle funktionelle grupper fremskynder ladningsoverførslen, mens andre bremser det. Ved at inkorporere det inerte lag af molekyler, Shestopalov var i stand til at reducere enhver interferens med det øverste lag og som resultat, opnå den præcise ladningsoverførsel, der er nødvendig i en enhed ved at ændre den funktionelle gruppe.

For eksempel, en OLED kan have brug for en hurtigere ladningsoverførsel for at opretholde en bestemt luminescens, mens en biomedicinsk injektionsenhed kan kræve en langsommere hastighed for sarte eller variable procedurer.

Mens Shestopalov overvandt en betydelig hindring, der er stadig et stort stykke arbejde, der skal udføres, før to-lags molekylære elektroniske enheder bliver praktiske. Den næste hindring er holdbarhed.

"Det system, vi udviklede, nedbrydes hurtigt ved høje temperaturer, "sagde Shestopalov." Det, vi har brug for, er enheder, der holder i årevis, og det vil tage tid at opnå.