Undersøgelse viser en elektronisk switch baseret på stereoisomerisme

Efterhånden som enheder bliver mindre og mindre, videnskabsmænd støder på grænser for, hvor lille man overhovedet kan konstruere et kredsløb ved hjælp af bulkmaterialer. Molekylære kredsløb tilbyder en mulig løsning til at overvinde disse størrelsesbegrænsninger, og har ført til et voksende felt, der fusionerer kemi med elektronik.

En undersøgelse fra hovedforfatter Timothy A. Su og et team fra Columbia University rapporterer den første af sin slags enkeltmolekyle-switch med to distinkte konduktansfaser, der er baseret på molekylets to stereoisomerer. Deres arbejde dukkede op i Naturkemi .

Ledningsevne er baseret på elektronernes bevægelse. Metaller er stærkt ledende, fordi elektroner let passerer gennem materialet. Ikke-metal molekyler, såsom alkaner, er også ledende, men har lavere ledningsevne end metaller, fordi elektroner ikke bevæger sig så let gennem sigma-bindingsnetværket. Imidlertid, disse langkædede ikke-metaller er attraktive for molekylære kredsløb på grund af deres syntetiske og geometriske alsidighed. Oligosilaner tilbyder en bedre mulighed for elektronmobilitet på grund af øget sigma-delokalisering langs Si-Si-bindingerne, samtidig med at de bibeholder den syntetiske og geometriske alsidighed, der gør alkaner attraktive.

Su et al. testede forskellige silaner (permethyloligosilaner) med methythiomethylsubstituenter på hver ende af oligosilanmolekylet. De testede konduktansen af ​​[SiMe ₂ ] _n hvor n repræsenterer fra en til ti permethylsilaner. Konduktans blev testet ved brug af scanning tunneling mikroskop break junction, svarende til at binde de terminale methylthiolmethyler til guldelektroder i molekylstørrelse, således at molekylet er brokoblet en Au-[SiMe ₂ ] _n -Au mode. Konduktansen blev målt i forhold til længden af ​​oligosilanen og i forhold til afstanden mellem guld STM-spidsen og elektroden, eller da oligosilanen systematisk blev udvidet og komprimeret mellem de to guldflader.

Resultater fra testning af de forskellige længder af oligosilaner viste fald i ledningsevne, efterhånden som molekylets længde øges. Dette "længdeafhængige konduktansforfald" er en forventet egenskab af langkædede ikke-metaller og er blevet observeret i alkaner, såvel.

Imidlertid, i modsætning til alkaner, i alle oligosilanerne var der en brat ændring fra lav til høj ledningsevne, efterhånden som afstanden mellem elektroderne øges. Man ville forvente, at konduktansen falder, efterhånden som afstanden mellem guldspidsen og elektroden øges. Derudover denne pludselige ændring var med en faktor to for alle oligosilaner, uanset længden af ​​siliciumkæden. Længden af ​​lavkonduktans-plateauet steg, efterhånden som længden af ​​oligosilan øgedes, men længden af ​​højkonduktansplateauet var den samme for alle molekyler, indikerede, at denne tilstand skyldtes et fælles træk i alle molekylerne og var ikke relateret til længden af ​​oligosilankæden.

Denne tydelige to-tilstands konduktivitetsegenskab skyldtes sandsynligvis de terminale dihedrale vinkler dannet af Au-S-C-Si-bindingerne, da denne funktion var den samme for alle molekyler. For at bekræfte, at ændringen i konduktans skyldtes stereoelektroniske effekter, Su et al. udførte DFT-analyse for at bestemme den laveste energikonformation af deres oligosilan ved varierende afstande mellem to guldatomer. De brugte [Au-Si(4)-Au] ²⁺ struktur som deres testmolekyle for at efterligne de elektroniske effekter af STM-systemet. Til dette eksperiment, de begyndte med guldatomer i en afstand, der ville give dihedriske vinkler i en antikonformation uden begrænsninger og øgede afstanden mellem guldatomerne med trin på 0,25 Ångstrøm.

De fandt ud af, at afstanden mellem guldatomerne spiller en afgørende rolle i molekylær konformation og derfor på oligosilanens ledningsevne. I tilstanden med lav konduktans, Me-S-bindingen er antiperiplanær (Au-S-bindingen er vinkelret) på methylsilanbindingen, eller i en antikonformation. Ved overgangen til høj ledningsevne, Me-S-bindingen er vinkelret (Au-S-bindingen er antiperiplanær) på methylsilanbindingen, eller i en orto-konformation.

Antikonformationen overvinder sterisk belastning, men ortho-konformationen overvinder den mekaniske belastning fra elektrodeadskillelse. Antikonformationen har Au-S orbitaler, der er vinkelrette på planet af Si-Si bindingerne, forhindrer elektrontunnel gennem molekylet, mens ortho-konformationen har Au-S orbitaler, der er justeret i samme plan som Si-Si-bindingerne, giver mulighed for større elektronmobilitet gennem sigma-bindingsnetværket.

Elektrokemisk omskiftning sker ved en specifik Au-Au-afstand for hver af oligosilanerne, og konduktansændringer i realtid i forhold til afstand. Desuden, den molekylære switch har to adskilte konduktanstilstande, i modsætning til en tredje overgangstilstand. Mens der er et punkt, hvor en terminal dihedral binding er i en ortho-konformation, og den anden er en anti-konformation, konduktansen forbliver i lav tilstand, indtil begge bindinger er i ortho-konformationen, hvilket gør dette til en ægte binær switch baseret på stereoelektroniske effekter.

© 2015 Phys.org