Formen på molekylær grafen bestemmer elektroniske egenskaber

Polyaromatiske kulbrinter (PAH'er) udgør en vigtig klasse af molekyler, som kan betragtes som små grafenarter og som spiller en fremtrædende rolle i udviklingen af ​​organisk elektronik. Forskere ved Radboud Universitet, Universitetet i Amsterdam og FOM viser nu, at kantstrukturerne af disse tilsyneladende lignende molekyler er ansvarlige for spektakulære forskelle i transportegenskaber, giver mulighed for smartere design af nye materialer. Naturkommunikation offentliggør resultaterne den 31. august.

PAH'er er opbygget af forbundne sekskantede kulstofringe. De er nyttige til at producere materialer til nye superledere på molekylær skala, men de er også af astrofysisk interesse, da en væsentlig del af det interstellare kulstof antages at være indespærret i disse meget stabile molekyler. For alle disse applikationer, en grundlæggende forståelse af elektronfordelingen og dens sammenhæng med topologiske træk ved PAH'er er vigtig. Den nøjagtige måde, hvorpå carbonringe er fastgjort - molekylets topologi - syntes at spille en stor rolle her, men det var uklart hvordan. Med avancerede spektroskopiske eksperimenter på FELIX Laboratory, fysiker Héctor Alvaro Galué sammen med forskere fra Radboud University og University of Amsterdam, har vist, at topologien bestemmer, hvordan elektronfordelingen er forbundet med kulstofskelettets vibrationsdynamik.

Zigag- og lænestolskonstruktioner

Med den frie elektronlaser FELIX på Radboud Universitet, Alvaro Galué bestemte vibrationsspektrene for to positivt ladede PAH-ioner, der består af fem forbundne sekskanter. Pentacen har en zigzag-kantstruktur (figur 1, højre og figur 2, top), mens kantstrukturen af ​​picene almindeligvis omtales som lænestol (figur 1, venstre og figur 2, bund). uventet, en sammenligning af IR-spektrene for de to PAH-ioner afslørede store intensitetsforskelle for vibrationerne af de to PAH'er.

Den (blandt molekylære fysikere) velkendte Born-Oppenheimer-tilnærmelse udgør en streng adskillelse mellem elektronisk og nuklear bevægelse. Imidlertid, de beskrevne forskelle i vibrationsspektrene for pentacen og picen viser det modsatte. Under den første del af en vibration, den ene side af molekylet har en højere elektrontæthed end den anden halvdel. Under anden del af vibrationen, situationen vender:elektrontætheden skifter til den side. Situationen kan sammenlignes med en periodisk vippebeholder fyldt med vand, får vandet til at skvulpe fra den ene side til den anden. Elektrondensitetens 'sloshed' – elektronfluxen – øger absorptionen af ​​infrarødt lys ved den specifikke frekvens af de vibrerende kulstofatomer.

Elektron flux

Den aktuelle publikation viser, at elektrontætheden, der skvulper i picene, er forbedret, hvorimod det stort set annullerer i pentacen. Beregninger tyder på, at dette ikke kun er tilfældet for picen og pentacen, men at det er en iboende egenskab ved PAH'er med zigzag- og lænestolskantstrukturer. Dette giver værdifuld indsigt i de elektroniske egenskaber af disse to klasser af PAH (og grafen) topologier.