Graphene tilbyder nye funktioner inden for molekylær elektronik

Et internationalt team af forskere under ledelse af National Physical Laboratory (NPL) og University of Bern har afsløret en ny måde at justere funktionaliteten af ​​næste generations molekylære elektroniske enheder ved hjælp af grafen. Resultaterne kunne udnyttes til at udvikle mindre, enheder med højere ydeevne til brug i en række applikationer, herunder molekylær sensing, fleksibel elektronik, og energiomdannelse og -lagring, samt robuste måleindstillinger for modstandsstandarder.

Feltet med nanoskala molekylær elektronik har til formål at udnytte individuelle molekyler som byggestenene til elektroniske enheder, for at forbedre funktionaliteten og sætte udviklere i stand til at opnå et hidtil uset niveau for enhedens miniaturisering og kontrol. Den største hindring, der hindrer fremskridt på dette område, er fraværet af stabile kontakter mellem de anvendte molekyler og metaller, der både kan fungere ved stuetemperatur og give reproducerbare resultater.

Grafen besidder ikke kun fremragende mekanisk stabilitet, men også usædvanligt høje elektroniske og varmeledende egenskaber, hvilket gør det nye 2-D-materiale meget attraktivt for en række mulige anvendelser inden for molekylær elektronik.

Et team af eksperimentelle fra University of Bern og teoretikere fra NPL (UK) og University of the Basker Country (UPV/EHU, Spanien), ved hjælp af samarbejdspartnere fra Chuo University (Japan), har demonstreret stabiliteten af ​​flerlags grafenbaserede molekylære elektroniske enheder ned til grænsen for enkeltmolekyler.

Fundene, rapporteret i journalen Videnskab fremskridt , repræsentere et stort trin i udviklingen af ​​grafenbaseret molekylær elektronik, med de reproducerbare egenskaber ved kovalente kontakter mellem molekyler og grafen (selv ved stuetemperatur), der overvinder begrænsningerne ved nuværende state-of-the-art teknologier baseret på møntmetaller.

Forbindelse af enkeltmolekyler

Adsorption af specifikke molekyler på grafenbaserede elektroniske enheder gør det muligt at indstille enhedsfunktionalitet, hovedsageligt ved at ændre dens elektriske modstand. Imidlertid, det er svært at knytte de overordnede enhedsegenskaber til egenskaberne for de enkelte molekyler, der er adsorberet, da gennemsnitlige mængder muligvis ikke kan identificere store variationer over grafenens overflade.

Dr. Alexander Rudnev og Dr Veerabhadrarao Kaliginedi, fra Institut for Kemi og Biokemi ved University of Bern, udførte målinger af den elektriske strøm, der flyder gennem enkelte molekyler knyttet til grafit eller flerlagede grafenelektroder ved hjælp af en unik støjsvag eksperimentel teknik, hvilket tillod dem at løse disse molekyle-til-molekyle variationer.

Guidet af de teoretiske beregninger af Dr. Ivan Rungger (NPL) og Dr. Andrea Droghetti (UPV/EHU), de demonstrerede, at variationer på grafitoverfladen er meget små, og at arten af ​​den kemiske kontakt mellem et molekyle og det øverste grafenlag dikterer funktionaliteten af ​​enkeltmolekyle elektroniske apparater.

"Vi finder, at ved omhyggeligt at designe den kemiske kontakt mellem molekyler og grafenbaserede materialer, vi kan justere deres funktionalitet, "sagde Dr Rungger." Vores enkeltmolekylære dioder viste, at ensretningsretningen for elektrisk strøm faktisk kan ændres ved at ændre arten af ​​den kemiske kontakt for hvert molekyle, "tilføjede Dr. Rudnev.

"Vi er overbeviste om, at vores resultater er et vigtigt skridt i retning af praktisk udnyttelse af molekylære elektroniske enheder, og vi forventer en betydelig ændring i forskningsfeltets retning efter vores vej til stuetemperaturstabil kemisk binding, "opsummerede dr. Kaliginedi.

Resultaterne vil også hjælpe forskere, der arbejder inden for elektrokatalyse og energiomdannelsesforskning, til at designe grafen/molekylgrænseflader i deres eksperimentelle systemer med at forbedre katalysatorens eller enhedens effektivitet.