Forståelse af ladningsoverførsler i molekylær elektronik

Et internationalt forskerhold, som omfatter University of Central Florida professor Enrique del Barco og Christian A. Nijhuis fra National University of Singapore, har fundet en måde at forstå og manipulere overgangen af ​​ladninger i molekylære forbindelser.

En molekylær forbindelse forbinder molekyler til to metalliske elektroder, såsom guld. For at elektroner kan strømme gennem krydset, skal de overvinde en barriere. Når temperaturen øges, elektronerne kan nemmere hoppe over barrieren.

Ladningsoverførsler dominerer mange kemiske reaktioner, som når jern ruster og bliver brunt. Jernet mister elektroner, forårsager rust. Jern er et metal, men det samme gælder for molekylære reaktioner, kendt som elektrokemi. Videnskaben bag molekylær ladningsoverførsel er velkendt inden for kemi, og forklaret med den såkaldte Marcus-teori.

Ifølge denne teori, molekylære reaktionshastigheder kan indstilles ved at øge eller falde temperatur (kendt som Direct Marcus-regimet). Imidlertid, under nogle omstændigheder, reaktionen kan tages ind i det omvendte Marcus-regime, hvor reaktionen bliver ufølsom over for ændringer i temperatur, og kan hoppe uden at krydse en barriere.

Ladningsoverførselsprocesser bliver også stadig vigtigere inden for det nye område af molekylær elektronik, hvor forskere sigter efter den mindste skala for elektriske kredsløb, hvor de grundlæggende byggesten i moderne elektronik er baseret på molekyler.

Et eksempel på dette er molekylære dioder (molekylære enheder, der er i stand til at vælge strømmen af ​​ladestrøm), som er af afgørende betydning som de grundlæggende byggesten i molekylært kredsløb - fremtiden for at drive vores elektronik.

Problemet er, at videnskabsmænd længe har set molekylære dioder opføre sig i et af de to Marcus-regimer på måder, de ikke forstod.

"Vi har set lignende molekyler opføre sig på helt forskellige måder, og meget forskellige molekyler, der opfører sig meget ens uden nogen åbenbar grund, " sagde del Barco. "Dette er meget overraskende på et tidspunkt, hvor vores viden om molekylære forbindelser er væsentligt fremskreden. Med to elektroder og et molekyle imellem, ladningen flyder ikke; den hopper. Men der er tidspunkter, hvor det viser en barriere, og andre gange gør det ikke, og det er det, vi har arbejdet hårdt på at finde ud af."

I tæt samarbejde med sin kollega i Singapore, holdet eksperimenterede med elektriske felter og temperatur for at se, hvordan ladning flyder gennem forskellige molekylære dioder.

Endelig, de fandt et molekyle, der gjorde det muligt for dem at udforske de to Marcus-regimer, ved at ændre dens temperaturafhængighed efter ønske.

"Dette er et gennembrud. Hvis vi tænker på dette komplekse molekyle som to forskellige enheder koblet sammen, når ladningen hopper ind i én enhed, det genererer et elektrisk felt på den anden side, og omvendt, Del Barco forklarede. "Denne interne elektriske port er proportional med mængden af ​​ladning i molekylet som helhed, som den øges med den spænding, der påføres enheden, og får den molekylære diode til at passere mellem de to Marcus-regimer. Det er første gang, vi har set en sådan overgang inden for molekylær elektronik."

Bortset fra de vigtige implikationer af denne opdagelse inden for kemi, det viser sig, at dette molekyle repræsenterer det første molekylære eksempel på en dobbelt kvanteprik, med spændende potentiale inden for fysik. Dette sætter molekylære systemer i nye teknologier som kvanteinformation og beregning i udsigt.

Kvanteprikker opfører sig som atomer, men har mere tilgængelige energiniveauer til at lede elektricitet, gør kvanteprikker til en ideel måde at drive computere og andre elektroniske enheder på.

Silicium er det, der driver vores smartphones og computere i dag. I fremtiden, molekylær elektronik kan tilbyde komplementære funktionaliteter ud over, hvad der er muligt med Silicon. Silicium har begrænsninger, og kan ikke blive så lille, som molekylær elektronik kan. Del Barco siger i fremtiden, molekylær teknologi vil blive brugt i forbindelse med silicium, at skabe nye elektronikapplikationer.

Del Barco og Nijuhuis' arbejde, udgivet i Natur nanoteknologi , vil bidrage til at fremme forståelsen af ​​kvanteteknologier.