Forskere opdager skiftefunktion i molekylær ledning

Den stigende miniaturisering i elektronik vil resultere i komponenter, der kun består af nogle få molekyler, eller endda kun ét molekyle. Der kræves små ledninger for at forbinde disse til et elektrisk kredsløb på nanoniveau. Et internationalt forskerhold fra Kiel University (CAU) og Donostia International Physics Center i San Sebastián, Spanien, har udviklet et molekyle, der integrerer en ledning med en diameter på kun et enkelt atom. Forskerne opdagede, at strømmen kan reguleres via denne molekylære ledning. Det fungerer som en nano-afbryder, og gør brugen af ​​molekylære ledninger i elektroniske komponenter i nanoskala mulig. Forskerholdets resultater blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysiske anmeldelsesbreve .

Tråden produceret af forskerne fra Kiel og San Sebastián er kun to atombindinger lang og et atom bred. "Dette er den enkleste molekylære ledning, man kan forestille sig, tyndere og meget kortere er ikke muligt, " forklarede Kiel-fysikeren Torben Jasper-Tönnies, første forfatter til publikationen. For at måle strømmen, der strømmer gennem nanotråden, begge ender skal forbindes til en metalelektrode - gerne ved større kredsløb. Men der er ingen metalklemmer, som er små nok til at skabe elektriske kontakter på nanoskalaen. "Elektrisk kontakt med individuelle molekyler i et nanokredsløb er et problem, der endnu ikke er blevet løst tilfredsstillende, og er bredt diskuteret i forskersamfundet, " forklarede Jasper-Tönnies, der skriver sin doktorafhandling i professor Richard Berndts arbejdsgruppe.

For at muliggøre en elektrisk kontakt, forskerne udviklede en ny ledning, kun består af et enkelt molekyle. "Det særlige ved vores ledning er, at vi kan installere den i lodret position på en metaloverflade. Det betyder, at en af ​​de to nødvendige kontakter allerede er effektivt indbygget i ledningen, " forklarede Jasper-Tönnies. For at opnå dette, de involverede kemikere brugte en tilgang fra Kiel Collaborative Research Center (SFB) 677 "Function by Switching". I det tværfaglige forskningsnetværk, molekylære platforme er blandt interesseområderne. Tråden er fastgjort til en sådan platform. Det udviser en høj ledningsevne, og kan nemt fastgøres til en metaloverflade som en sugekop - en elektrisk kontakt er realiseret.

For den anden nødvendige kontakt, forskerholdet brugte et scanning tunneling microscope (STM). Med en metalspids, det "føles" som en prøve, og skaber et billede af dens overflade på en skala ned til nogle få nanometer. Individuelle atomer bliver således synlige. I deres eksperimenter, Kiel-forskerne brugte en særlig fin metalspids til STM, i slutningen der kun var et enkelt atom. På denne måde de var i stand til at skabe en elektrisk kontakt med den anden ende af ledningen, lukke kredsløbet, og måle strømmen. "Gennem denne meget præcise kontakt via kun et atom, vi opnåede særligt gode data. Vi kan replikere disse kontakter, og de målte strømværdier varierer meget lidt fra ledning til ledning, " sagde Jasper-Tönnies.

Under deres målinger, forskerne fandt også ud af, at kvantemekaniske kræfter virker mellem metalspidsen af ​​STM og nanotråden. Disse kan bruges til at bøje tråden mekanisk. Hvis ledningen kun er let bøjet, strømmen reduceres. Imidlertid, hvis der er en kraftig bøjning, det stiger. "Ved at bøje ledningen, vi var i stand til at slå strømmen til eller fra. Selvom vores ledning er så enkel, det opfører sig på en meget kompleks måde - dette overraskede os, " forklarede Jasper-Tönnies.

Forskerne tror, ​​at nanotrådens usædvanlige elektriske ledningsevne skyldes dens molekylære struktur. Dette understøttes af beregninger udført af Dr. Aran Garcia-Lekue og professor Thomas Frederiksen fra San Sebastián. Som et resultat af de kvantemekaniske kræfter, trådens individuelle atomer danner nye kemiske bindinger med atomet i spidsen af ​​STM-sonden. Dette ændrer molekylets geometri, og dermed dens egenskaber. "Små geometriske forskelle kan faktisk have en enorm effekt. Derfor er det vigtigt at kunne indstille et molekyles geometri og måle det så præcist som muligt - og det opnår vi ved den præcise kontakt af nanotråden og via STM-billeder i atomopløsning, " sagde Jasper-Tönnies.