Visualisering af interagerende elektroner i et molekyle

Det er lykkedes for forskere ved Aalto-universitetet og Zürich-universitetet direkte at afbilde, hvordan elektroner interagerer inden for et enkelt molekyle.

At forstå denne form for elektroniske effekter i organiske molekyler er afgørende for deres brug i optoelektroniske applikationer, for eksempel i organiske lysemitterende dioder (OLED'er), organiske felteffekttransistorer (OFET'er) og solceller.

I deres artikel offentliggjort i Naturfysik , forskerholdet demonstrerer målinger på det organiske molekyle koboltphthalocyanin (CoPC), som kun kan forklares ved at tage hensyn til, hvordan elektroner i molekylet interagerer med hinanden. CoPC er et almindeligt anvendt molekyle i organiske optoelektroniske enheder. Elektron-elektron-interaktioner ændrer dens ledningsevne, som er direkte relateret til enhedens ydeevne.

Atomic Scale Physics-gruppen ved Aalto Universitetet ledet af Peter Liljeroth har specialiseret sig i scanning tunneling microscopy (STM), som udnytter en lille strøm mellem en skarp sondespids og en ledende prøve til at måle strukturelle og elektroniske egenskaber af prøveoverfladen med atomopløsning. I dette tilfælde, de brugte STM til at måle strømmen, der passerer gennem et enkelt molekyle på en overflade ved at injicere eller fjerne elektroner ved forskellige energier.

Inden i molekylet, elektroner 'lever' på såkaldte orbitaler, som definerer deres energi og formen af ​​deres kvantemekaniske bølgefunktion. Disse orbitaler kan måles ved at registrere strømmen gennem molekylet som en funktion af den påførte spænding.

Fabian Schulz, en postgraduate forsker i Liljeroths gruppe, blev overrasket, da målingerne på CoPC-molekyler ikke passede til den konventionelle fortolkning af STM-eksperimenter på enkelte molekyler. "Vi så flere yderligere funktioner i den registrerede strøm, hvor der ikke skulle have været nogen ifølge den sædvanlige fortolkning af disse såkaldte tunnelspektre", Schulz forklarer.

Forsøgene blev udført på koboltphthalocyanin (CoPC) molekyler aflejret på et et-atom tykt lag af hexagonalt bornitrid på en iridiumoverflade.

En kollega fra Aalto University og leder af Quantum Many-Body Physics-gruppen, Ari Harju, foreslog, at nøglen til at forstå de eksperimentelle resultater kan være en form for elektron-elektron-interaktion, som normalt forsømmes ved fortolkning af sådanne eksperimenter. I samarbejde med Ari P. Seitsonen fra universitetet i Zürich, Ari Harju og hans team beregnede molekylets elektroniske egenskaber, herunder kvantemekaniske effekter, der gik ud over gængse metoder. Denne nye fortolkning blev bekræftet, da Liljeroth og hans team var i stand til at matche de eksperimentelt målte molekylære orbitaler med teoriens forudsigelser. "Det var meget spændende at se denne form for et samspil mellem teori og eksperiment", Liljeroth bemærker.

Ari Harju konkluderer:"Beviset for, at sådanne teoretisk forudsagde, eksotiske effekter kan observeres eksperimentelt er et vigtigt skridt fremad i forståelsen af, hvordan strømmen transporteres på tværs af individuelle molekyler og molekylære samlinger."