Mød den højtydende enkeltmolekylære diode

Et team af forskere fra Berkeley Lab og Columbia University har bestået en stor milepæl inden for molekylær elektronik med oprettelsen af ​​verdens mest effektive enkeltmolekylære diode. Arbejder hos Berkeley Lab's Molecular Foundry, et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, holdet brugte en kombination af guldelektroder og en ionisk løsning til at skabe en enkeltmolekylær diode, der overgår de bedste af sine forgængere med en faktor 50.

"Ved hjælp af et enkelt symmetrisk molekyle, en ionisk opløsning og to guldelektroder med dramatisk forskellige eksponerede overfladearealer, vi var i stand til at oprette en diode, der resulterede i et udbedringsforhold, forholdet mellem frem og tilbage strøm ved fast spænding, over 200, som er en rekord for enkeltmolekylære enheder, "siger Jeff Neaton, Direktør for Molecular Foundry, en højtstående fakultetsforsker med Berkeley Labs Materials Sciences Division og Institut for Fysik ved University of California Berkeley, og medlem af Kavli Energy Nanoscience Institute i Berkeley (Kavli ENSI).

"Den asymmetri, der er nødvendig for diodeadfærd, stammer fra de forskellige udsatte elektrodeområder og den ioniske opløsning, "siger han." Dette fører til forskellige elektrostatiske miljøer omkring de to elektroder og superlativ enkeltmolekyle-enhedsadfærd. "

Med "mindre og hurtigere" som drivmantra for elektronikindustrien, enkeltmolekyle-enheder repræsenterer den ultimative grænse for elektronisk miniaturisering. I 1974, pionererne inden for molekylær elektronik Mark Ratner og Arieh Aviram teoretiserede, at et asymmetrisk molekyle kunne fungere som en ensretter, en envejs leder af elektrisk strøm. Siden da, udvikling af funktionelle enkeltmolekyle elektroniske enheder har været en stor forfølgelse, hvor dioder - en af ​​de mest udbredte elektroniske komponenter - er øverst på listen.

En typisk diode består af en silicium p-n-forbindelse mellem et par elektroder (anode og katode), der fungerer som "ventilen" i et elektrisk kredsløb, styre strømmen ved at lade den passere igennem i kun en "fremad" retning. Asymmetrien i et p-n-kryds præsenterer elektronerne for et "tænd/sluk" transportmiljø. Forskere har tidligere udformet enkeltmolekylære dioder enten gennem kemisk syntese af specielle asymmetriske molekyler, der er analoge med et p-n-kryds; eller ved brug af symmetriske molekyler med forskellige metaller som de to elektroder. Imidlertid, de resulterende asymmetriske kryds gav lave rektifikationsforhold, og lav fremadgående strøm. Neaton og hans kolleger ved Columbia University har fundet en måde at afhjælpe begge mangler.

"Elektronstrøm ved molekylære længdeskalaer domineres af kvantetunnel, "Neaton forklarer." Tunnelprocessens effektivitet afhænger intimt af graden af ​​tilpasning af molekylets diskrete energiniveauer til elektrodenes kontinuerlige spektrum. I en molekylær ensretter, denne justering er forbedret for positiv spænding, fører til en stigning i tunnelleringen, og reduceres for negativ spænding. På Molecular Foundry udviklede vi en tilgang til nøjagtigt at beregne justering af energiniveau og tunnelsandsynlighed i enkeltmolekylære kryds. Denne metode tillod mig og Zhenfei Liu at forstå diodeadfærden kvantitativt. "

I samarbejde med Columbia Universitys Latha Venkataraman og Luis Campos og deres respektive forskningsgrupper, Neaton og Liu fremstillede en højtydende ensretter fra kryds, der var lavet af symmetriske molekyler med molekylær resonans i næsten perfekt tilpasning til Fermi-elektronenerginiveauerne i guldelektroderne. Symmetri blev brudt af en væsentlig forskel i størrelsen af ​​området på hver guldelektrode, der blev udsat for den ioniske opløsning. På grund af det asymmetriske elektrodeområde, den ioniske opløsning, og krydset energiniveaujustering, en positiv spænding øger strømmen væsentligt; en negativ spænding undertrykker den lige så markant.

"Den ioniske opløsning, kombineret med asymmetrien i elektrodeområder, giver os mulighed for at kontrollere krydset elektrostatiske miljø ved blot at ændre bias -polariteten, "Neaton siger." Ud over at bryde symmetrien, dobbeltlag dannet af ionisk opløsning genererer også dipolforskelle ved de to elektroder, hvilket er den underliggende årsag bag det asymmetriske skift af molekylær resonans. Columbia -gruppens eksperimenter viste, at med det samme molekyle og elektrodeopsætning, en ikke-ionisk opløsning giver slet ingen berigtigelse. "

Berkeley Lab-Columbia University-teamet mener, at deres nye tilgang til en enkeltmolekylær diode giver en generel vej til tuning af ikke-lineære nanoskala-fænomener, der kan anvendes på systemer ud over enkeltmolekylære kryds og to-terminal-enheder.

"Vi forventer, at den forståelse, der opnås ved dette arbejde, kan anvendes på ioniske flydende gating i andre sammenhænge, og mekanismer, der skal generaliseres til enheder fremstillet af todimensionale materialer, "Neaton siger." Ud over enheder, disse små molekylære kredsløb er petriskåle til afsløring og design af nye ruter til opladning og energistrøm på nanoskalaen. Det, der er spændende for mig ved dette felt, er dets tværfaglige karakter - behovet for både fysik og kemi - og den stærke fordelagtige kobling mellem eksperiment og teori.

"Med det stigende niveau af eksperimentel kontrol på enkeltmolekylniveau, og forbedringer i teoretisk forståelse og beregningshastighed og -nøjagtighed, vi er lige ved toppen af ​​isbjerget med det, vi kan forstå og kontrollere på disse små længder. "

Neaton, Venkataraman og Campos er de tilsvarende forfattere til et papir, der beskriver denne forskning i Naturnanoteknologi . Papiret har titlen "Enkeltmolekylære dioder med høje rektifikationsforhold gennem miljøkontrol." Andre medforfattere er Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma Dell, Zhen-Fei Liu og Jeffrey Taylor.