Forskere bygger en transistor fra et molekyle og et par atomer

Et internationalt team af fysikere har brugt et scannende tunnelmikroskop til at oprette en minuttransistor bestående af et enkelt molekyle og et lille antal atomer. Den observerede transistorvirkning adskiller sig markant fra den konventionelt forventede adfærd og kan være vigtig for fremtidige enhedsteknologier såvel som for grundlæggende undersøgelser af elektrontransport i molekylære nanostrukturer. Fysikerne repræsenterer Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) og Freie Universität Berlin (FUB), Tyskland, NTT Basic Research Laboratories (NTT-BRL), Japan, og U.S. Naval Research Laboratory (NRL). Deres komplette fund er offentliggjort i tidsskriftet 13. juli 2015 i tidsskriftet Naturfysik .

Transistorer har et kanalområde mellem to eksterne kontakter og en elektrisk portelektrode for at modulere strømmen gennem kanalen. I atomskala transistorer, denne strøm er ekstremt følsom over for enkelte elektroner, der hopper via diskrete energiniveauer. I tidligere undersøgelser, forskere har undersøgt enkelt-elektron transport i molekylære transistorer ved hjælp af top-down tilgange, såsom litografi og brudkryds. Men atomisk præcis styring af porten - som er afgørende for transistoraktion i de mindste størrelsesskalaer - er ikke mulig med disse fremgangsmåder.

Teamet brugte et meget stabilt scanningstunnelmikroskop (STM) til at skabe en transistor bestående af et enkelt organisk molekyle og positivt ladede metalatomer, placere dem med STM -spidsen på overfladen af ​​en indiumarsenid (InAs) krystal. Dr. Kiyoshi Kanisawa, fysiker ved NTT-BRL, brugte vækstteknikken med molekylær stråleepitaxy til at forberede denne overflade. Efterfølgende, STM -metoden tillod forskerne at samle elektriske porte fra +1 ladede atomer med atompræcision og derefter placere molekylet på forskellige ønskede positioner tæt på portene. Dr. Stefan Fölsch, en fysiker ved PDI, der ledede teamet, forklarede, at "molekylet kun er svagt bundet til InAs -skabelonen. Så, når vi bringer STM-spidsen meget tæt på molekylet og anvender en bias-spænding på spids-prøveforbindelsen, enkelte elektroner kan tunnelere mellem skabelon og spids ved at hoppe via næsten uforstyrrede molekylære orbitaler, ligner arbejdsprincippet for en kvantepunkt, der er lukket af en ekstern elektrode. I vores tilfælde, de ladede atomer i nærheden giver det elektrostatiske portpotentiale, der regulerer elektronstrømmen og molekylets ladningstilstand. "

Men der er en væsentlig forskel mellem en konventionel halvlederkvantumpunkt-typisk omfattende hundredvis eller tusinder af atomer-og det foreliggende tilfælde af et overfladebundet molekyle. Dr. Steven Erwin, en fysiker i Center for Computational Materials Science ved NRL og ekspert i tæthedsfunktionel teori, påpegede, at "molekylet vedtager forskellige rotationsorienteringer, afhængigt af dens ladetilstand. Vi forudsagde dette baseret på beregninger af første principper og bekræftede det ved at afbilde molekylet med STM. "

Denne kobling mellem ladning og orientering har en dramatisk effekt på elektronstrømmen over molekylet, manifesteret af et stort konduktansgab ved lave forspændinger. Dr. Piet Brouwer, en fysiker ved FUB og ekspert i kvantetransportteori, sagde, "Denne spændende adfærd går ud over det etablerede billede af ladningstransport gennem en lukket kvantepunkt. I stedet for vi udviklede en generisk model, der tegner sig for molekylets koblede elektroniske og orienterende dynamik. "Denne enkle og fysisk gennemsigtige model gengiver fuldstændigt de eksperimentelt observerede enkeltmolekylære transistorkarakteristika.

Den perfektion og reproducerbarhed, der tilbydes af disse STM-genererede transistorer, gør det muligt for forskere at udforske elementære processer, der involverer strømmen gennem enkelte molekyler på et grundlæggende niveau. At forstå og kontrollere disse processer-og de nye former for adfærd, som de kan lede til-vil være vigtig for at integrere molekylbaserede enheder med eksisterende halvlederteknologier.