Forskere først til at skabe en enkelt-molekyle diode

Under ledelse af Latha Venkataraman, lektor i anvendt fysik ved Columbia Engineering, forskere har designet en ny teknik til at skabe en enkelt-molekyle diode, og, derved, de har udviklet molekylære dioder, der yder 50 gange bedre end alle tidligere designs. Venkataramans gruppe er den første til at udvikle en enkelt-molekyle diode, der kan have den virkelige verden teknologiske applikationer til nanoskala enheder. Deres papir, "Enkeltmolekyle dioder med høje tænd-sluk-forhold gennem miljøkontrol, " udgives 25. maj i Natur nanoteknologi .

"Vores nye tilgang skabte en enkelt-molekyle diode, der har en høj (> 250) ensretning og en høj "on"-strøm (~ 0,1 mikroampere), " siger Venkataraman. "At konstruere en enhed, hvor de aktive elementer kun er et enkelt molekyle, har længe været en fristende drøm inden for nanovidenskab. Dette mål, som har været den 'hellige gral' for molekylær elektronik lige siden dens begyndelse med Aviram og Ratners banebrydende papir fra 1974, repræsenterer det ultimative inden for funktionel miniaturisering, der kan opnås for en elektronisk enhed."

Med elektroniske enheder, der bliver mindre for hver dag, feltet for molekylær elektronik er blevet stadig mere kritisk til at løse problemet med yderligere miniaturisering, og enkelte molekyler repræsenterer grænsen for miniaturisering. Ideen om at skabe en enkelt-molekyle diode blev foreslået af Arieh Aviram og Mark Ratner, som i 1974 teoretiserede, at et molekyle kunne fungere som en ensretter, en envejs leder af elektrisk strøm. Forskere har siden udforsket molekylers ladningstransportegenskaber. De har vist, at enkeltmolekyler knyttet til metalelektroder (enkeltmolekyleforbindelser) kan fås til at fungere som en række kredsløbselementer, inklusive modstande, skifter, transistorer, og, Ja, dioder. De har lært, at det er muligt at se kvantemekaniske effekter, såsom interferens, manifesterer sig i konduktansegenskaberne af molekylære forbindelser.

Da en diode fungerer som en elektrisk ventil, dens struktur skal være asymmetrisk, så elektricitet, der strømmer i den ene retning, oplever et andet miljø end elektricitet, der strømmer i den anden retning. For at udvikle en enkelt-molekyle diode, forskere har simpelthen designet molekyler, der har asymmetriske strukturer.

"Mens sådanne asymmetriske molekyler faktisk viser nogle diode-lignende egenskaber, de er ikke effektive, " forklarer Brian Capozzi, en ph.d.-studerende, der arbejder med Venkataraman og hovedforfatter af papiret. "En veldesignet diode bør kun tillade strøm at flyde i én retning - 'tændt'-retningen - og den bør tillade en masse strøm at flyde i den retning. Asymmetriske molekylære design har typisk lidt under meget lav strøm i begge ' on' og 'off' retninger, og forholdet mellem strømflowet i de to har typisk været lavt. Ideelt set forholdet mellem 'on' strøm og 'off' strøm, korrektionsforholdet, burde være meget høj."

For at overvinde problemerne forbundet med asymmetrisk molekylært design, Venkataraman og hendes kolleger – kemiassistentprofessor Luis Campos' gruppe ved Columbia og Jeffrey Neatons gruppe ved Molecular Foundry ved UC Berkeley – fokuserede på at udvikle en asymmetri i miljøet omkring det molekylære kryds. De skabte en miljømæssig asymmetri gennem en ret simpel metode - de omgav det aktive molekyle med en ionisk opløsning og brugte guldmetalelektroder af forskellige størrelser til at kontakte molekylet.

Deres resultater opnåede ensretningsforhold så høje som 250:50 gange højere end tidligere designs. "Tændt"-strømmen i deres enheder kan være mere end 0,1 mikroampere, hvilken, Venkataraman bemærker, er meget strøm, der skal passere gennem et enkelt molekyle. Og, fordi denne nye teknik er så let at implementere, det kan anvendes på alle nanoskalaenheder af alle typer, inklusive dem, der er lavet med grafenelektroder.

"Det er fantastisk at være i stand til at designe et molekylært kredsløb, ved hjælp af begreber fra kemi og fysik, og få det til at gøre noget funktionelt, Venkataraman siger. "Længdeskalaen er så lille, at kvantemekaniske effekter er absolut et afgørende aspekt af enheden. Så det er virkelig en triumf at være i stand til at skabe noget, man aldrig fysisk vil kunne se, og som opfører sig efter hensigten.«

Hun og hendes team arbejder nu på at forstå den grundlæggende fysik bag deres opdagelse, og forsøger at øge de korrektionsforhold, de observerede, ved hjælp af nye molekylære systemer.