IBM-forskere måler energiniveauerne af enkelte molekyler på isolatorer

Vores forståelse af enkelt-molekyle elektronik er blevet klarere, og svaret involverede at bruge en almindelig husholdningsartikel - salt.

Bygger på et tidligere papir i 2009, hvor IBM videnskabsmænd og samarbejdspartnere demonstrerede evnen til at måle ladningstilstanden af ​​individuelle atomer ved hjælp af noncontact atomic force microscopy (AFM), de har nu taget det et skridt videre, måling af energiniveauer af enkelte molekyler på isolatorer, for første gang. Forskningen vises i dag i peer-review-tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Opfundet i midten af ​​1980'erne, atomkraftmikroskopet måler små kræfter mellem spidsen og prøven, såsom et molekyle på en understøtning. Spidsen er en multifunktionel, præcist instrument, som kan afbilde molekyler med hidtil uset opløsning og endda udløse aldrig før sete molekylære reaktioner.

Skaleringselektronik

Hvis du nogensinde har åbnet nogen form for elektronisk enhed, såsom en pc eller endda et digitalt vækkeur, du ville have opdaget, hvad der er kendt som et printkort (PCB). Disse typiske grønne tavler ligner kort, der viser alle enhedens elektroniske komponenter, inklusive, det, der er kendt som dirigentspor. Disse spor fører elektrisk strøm, som jernbanespor, på hele brættet, så enheden kan fungere. Pladerne indeholder også isolerende lag, der skærmer sporene mod strømlækage. Uden disse lag, selv små elektroniske enheder ville kræve mere energi for at fungere.

Når du evaluerer de grundlæggende byggeklodser på den samme pc eller ur, men i molekylær elektronik, vi ville se et lignende set-up med enkelte molekyler som ledende spor og enkelte elektroner, der overføres fra molekylerne. Mens det isolerende lag er nyttigt på printkortet, det lignende underliggende isoleringssubstrat, i denne skala, har yderligere virkninger, som skal overvejes.

"Mens man oplader et molekyle på en isolator, atomerne i molekylet vil slappe af i retning af at rumme denne ekstra ladning og lige så vigtigt, det samme vil kernerne i isolatoren. Da molekylet er oven på en isolator, elektronisk karakterisering af et sådant system er meget vanskelig." sagde Shadi Fatayer, en pre-doc hos IBM Research og den første forfatter til papiret.

Han tilføjer, "Denne ændring i atomernes position påvirker deres energiniveauer, hvilket har drastiske effekter i forhold til at overføre en enkelt-elektron mellem molekyler. Overførselshastigheden af ​​elektroner kunne indstilles til at variere flere størrelsesordener."

Holdet af forskere fra IBM, University of Liverpool, Chalmers University og University of Regensburg forsøgte en anden tilgang til at tackle dette problem.

De dyrkede først flerlag af NaCl, også kendt som natriumchlorid eller salt, fungerer som et isolerende materiale, oven på et metalsubstrat. Et sådant system gør det muligt for de molekyler, der absorberes på toppen, at have deres ladningstilstande stabile og afkoblet fra metaloverfladen.

Derefter, holdet overvejede:"Hvordan måler vi reorganiseringsenergier?" Eksperimentelt, det gøres med molekyler i opløsning, med molekyler oven på et metal, men indtil nu, der var ikke en teknik, der gjorde det muligt at undersøge individuelle molekyler oven på en isolator.

Deres unikke tilgang består i at anvende AFM og enkelte elektroner. Enkelte elektroner bruges til at sondere ladningstilstandsovergange af to definerede ladningstilstande i begge retninger. I eksperimentet tester forskerne deres metode på et enkelt naphthalocyanin-molekyle.

Som tidligere offentliggjort, forfatterne vidste, at de pålideligt kunne bruge AFM til at måle forskellige ladningstilstande oven på en ultratynd isolator med enkeltelektronfølsomhed. De har også for nylig demonstreret billeddannelse af stabilt ladede molekyler samt overførsel af enkelte elektroner mellem molekyler oven på en tykkere isolator. Imidlertid, evnen til at måle reorganiseringsenergier kræver måling af de energiniveauer, der svarer til bestemte ladningstilstandsovergange.

"Før dette arbejde, vi vidste, hvordan man måler den elektriske strøm gennem molekylet. Imidlertid, dette virkede kun i én retning for en given orbital. Når vi kunne måle energien til at knytte en elektron til en bestemt orbital, vi kunne aldrig måle energien til at fjerne en elektron fra den orbital og omvendt. Evnen til at måle i begge retninger – dette manglede, " sagde IBM-fysiker Leo Gross. "Med vores AFM-metode, vi måler energiniveauerne i begge ladningstilstandsændringsretninger på et tyndfilmsubstrat. Men det er utroligt krævende arbejde, der håndterer meget svage signaler, hvilket betyder, at mange omhyggelige målinger er nødvendige for at udføre korrekt statistisk analyse."

Han tilføjer, "Ved at bruge denne nye metode, vi bruger spidsen og kraften på spidsen til at tælle enkelte elektroner. Vi justerer spidshøjden og spændingen og tæller derefter, hvor lang tid det tager for den ene elektron at gå til (eller fra) spidsen, og ud fra dette kan du få energiniveauerne."

"Vores største udfordring skyldtes, at spidsen var længere væk end normalt for korrekt at måle tunnelbegivenheder, " tilføjer Fatayer. "De meget svage kræfter, vi målte, knytter sig til strømme i zepto Ampere skalaen – det er 10 til minus 21 (10) ^-21 ). De fleste fysikere behøver aldrig at bruge dette præfiks, men vi gør det ved at måle en elektron hvert flere sekunder. Vi bruger bogstaveligt talt AFM som en enkelt-elektron strømmåler."

Selvom dette er meget grundlæggende forskning, applikationerne spænder fra elektroniske enheder, for eksempel til karakterisering af defekter i chips, til solceller og organiske halvledere.