Enkelte molekyler kan fungere som reproducerbare transistorer - ved stuetemperatur

Et vigtigt mål inden for molekylær elektronik, som har til formål at bruge enkelte molekyler som elektroniske komponenter, er at lave en enhed, hvor en kvantiseret, kontrollerbar ladningsstrøm kan opnås ved stuetemperatur. Et første skridt på dette område er for forskere at demonstrere, at enkelte molekyler kan fungere som reproducerbare kredsløbselementer såsom transistorer eller dioder, der nemt kan fungere ved stuetemperatur.

Et hold ledet af Latha Venkataraman, professor i anvendt fysik og kemi ved Columbia Engineering og Xavier Roy, assisterende professor i kemi (Arts &Sciences), udgivet en undersøgelse i Natur nanoteknologi det er den første, der reproducerbart demonstrerer strømblokade - evnen til at skifte en enhed fra den isolerende til den ledende tilstand, hvor ladning tilføjes og fjernes én elektron ad gangen - ved hjælp af atomisk præcise molekylære klynger ved stuetemperatur.

Bonnie Choi, en kandidatstuderende i Roy-gruppen og medforfatter af værket, skabte en enkelt klynge af geometrisk ordnede atomer med en uorganisk kerne lavet af kun 14 atomer – hvilket resulterede i en diameter på omkring 0,5 nanometer – og placerede linkere, der koblede kernen til to guldelektroder, meget som en modstand er loddet til to metalelektroder for at danne et makroskopisk elektrisk kredsløb (f.eks. glødetråden i en pære).

Forskerne brugte en scanning tunneling mikroskop teknik, som de har været banebrydende til at lave junctions bestående af en enkelt klynge forbundet til de to guldelektroder, hvilket gjorde dem i stand til at karakterisere dens elektriske respons, da de varierede den påførte forspænding. Teknikken giver dem mulighed for at fremstille og måle tusindvis af kryds med reproducerbare transportegenskaber.

"Vi fandt ud af, at disse klynger kan fungere meget godt som dioder i nanoskala ved stuetemperatur, hvis elektriske respons vi kan skræddersy ved at ændre deres kemiske sammensætning, " siger Venkataraman. "Teoretisk set, et enkelt atom er den mindste grænse, men enkeltatomenheder kan ikke fremstilles og stabiliseres ved stuetemperatur. Med disse molekylære klynger, vi har fuldstændig kontrol over deres struktur med atomær præcision og kan ændre grundstofsammensætningen og strukturen på en kontrollerbar måde for at fremkalde en bestemt elektrisk reaktion."

En række undersøgelser har brugt kvanteprikker til at frembringe lignende effekter, men fordi prikkerne er meget større og ikke ens i størrelse, på grund af arten af ​​deres syntese, resultaterne har ikke været reproducerbare - ikke alle enheder lavet med kvanteprikker opførte sig på samme måde. Venkataraman-Roy-teamet arbejdede med mindre uorganiske molekylære klynger, der var identiske i form og størrelse, så de vidste præcis – ned til atomskalaen – hvad de målte.

"De fleste af de andre undersøgelser skabte enkelt-molekyle enheder, der fungerede som enkelt-elektron transistorer ved fire grader Kelvin, men for enhver applikation i den virkelige verden, disse enheder skal fungere ved stuetemperatur. Og det gør vores, " siger Giacomo Lovat, en postdoc-forsker og medforfatter på papiret. "Vi har bygget en transistor i molekylær skala med flere tilstande og funktionaliteter, hvor vi har kontrol over den præcise mængde ladning, der strømmer igennem. Det er fascinerende at se, at simple kemiske ændringer i et molekyle, kan have stor indflydelse på den elektroniske struktur af molekyler, fører til forskellige elektriske egenskaber."

Holdet evaluerede diodens ydeevne gennem tænd/sluk-forholdet, som er forholdet mellem den strøm, der løber gennem enheden, når den er tændt, og den resterende strøm, der stadig er til stede i sin "slukkede" tilstand. Ved stuetemperatur, de observerede et tænd/sluk-forhold på omkring 600 i enkeltklyngekryds, højere end nogen anden enkelt-molekyle enhed målt til dato. Særligt interessant var det faktum, at disse krydsninger var karakteriseret ved en "sekventiel" ladningsstrøm; hver elektron, der passerer gennem en klyngeforbindelse, stoppede på klyngen i et stykke tid. Som regel, i små molekyle kryds, elektroner "skubbet" gennem krydset af den påførte bias gør springet kontinuerligt, fra den ene elektrode til den anden, så antallet af elektroner på molekylet på hvert tidspunkt ikke er veldefineret.

"Vi siger, at klyngen bliver 'opladet' siden, i et kort tidsinterval, før den transiterende elektron hopper af i den anden metalelektrode, den gemmer en ekstra afgift, " siger Roy. "Sådan sekventiel, eller diskret, ledningstilstand skyldes klyngens ejendommelige elektroniske struktur, der begrænser elektroner i stærkt lokaliserede orbitaler. Disse orbitaler står også for det observerede "strømblokade"-regime, når en lav forspænding påføres en klyngeforbindelse. Strømmen falder til en meget lille værdi ved lav spænding, da elektroner i metalkontakten ikke har nok energi til at optage en af ​​klyngens orbitaler. Når spændingen øges, den første klyngeorbital, der bliver energisk tilgængelig, åbner en farbar rute for elektroner, der nu kan hoppe på og fra klyngen, resulterer i på hinanden følgende 'opladnings' og 'afladnings' begivenheder. Blokaden ophæves, og strømmen begynder at flyde over krydset."

Forskerne skræddersyede klyngerne til at udforske virkningen af ​​sammensætningsændringer på klyngernes elektriske respons og planlægger at bygge videre på deres indledende undersøgelse. De vil designe forbedrede klyngesystemer med bedre elektrisk ydeevne (f.eks. højere tænd/sluk-strømforhold, forskellige tilgængelige stater), og øge antallet af atomer i klyngekernen, samtidig med at den atomare præcision og ensartethed af forbindelsen opretholdes. Dette ville øge antallet af energiniveauer, hver svarende til en bestemt elektronbane, som de kan få adgang til med deres spændingsvindue. Forøgelse af energiniveauerne vil påvirke enhedens tænd/sluk-forhold, måske også reducere den nødvendige effekt til at tænde for enheden, hvis flere energiniveauer bliver tilgængelige for transitering af elektroner ved lave forspændinger.

"De fleste enkelt-molekyle transport undersøgelser er blevet udført på simple organiske molekyler, fordi de er nemmere at arbejde med, Venkataraman bemærker. "Vores samarbejde her gennem Columbia Nano Initiative bygger bro mellem kemi og fysik, sætter os i stand til at eksperimentere med nye forbindelser, såsom disse molekylære klynger, det kan ikke kun være mere syntetisk udfordrende, men også mere interessant som elektriske komponenter."