Graphene tunneling junctions:ud over bristepunktet

Molekylær elektronik er et spirende forskningsfelt, der har til formål at integrere enkelte molekyler som aktive elementer i elektroniske enheder. At opnå et komplet billede af ladningstransportegenskaberne i molekylære forbindelser er det første skridt mod at realisere funktionalitet på nanoskala. Forskere fra Delft University of Technology har nu studeret ladningstransporten i et nyt system, grafen mekaniske break junction, som for første gang tillod direkte eksperimentel observation af kvanteinterferenseffekter i tolagsgrafen som funktion af nanometerforskydninger. Denne nye platform kan potentielt bruges til elektronisk fingeraftryk af biomolekyler, fra DNA til proteiner, hvilket igen kan have vigtige konsekvenser for diagnosticering og behandling af sygdomme.

Nanogaps, der adskiller to elektroder, er forudset som grundlaget for den næste generation af sensorteknologier. Målet er at udnytte kvanteelektron tunneling som sansningsprincippet, hvor den elektroniske struktur af målmolekylet, der er fanget i nanogabet, undersøges direkte. grafen, et monolag af kulstofatomer i et sekskantet gitter, kombinerer mange af kravene til et elektrisk sensormateriale:høj ledningsevne, atomart tyndhed, fleksibilitet, kemisk inertitet i luft og væske, og mekanisk styrke, samt dets kompatibilitet med standard litografiske mønsterteknikker.

På Kavli Institute of Nanoscience i Delft, en forskergruppe er ved at udvikle robuste grafen-baserede mekanisk kontrollerede break junctions (MCBJ'er), som tillader dannelsen af ​​et størrelsesjusterbart tunnelgab på subnanometerskalaen, dvs. størrelsen kan skræddersyes til størrelsen af ​​det biomolekyle, der skal sonderes.

Pas på Mellemrummet

MCBJ-eksperimentet er konceptuelt meget simpelt. Enheden består af en grafen-sløjfestruktur understøttet på et fleksibelt metalsubstrat. Underlaget bøjes gradvist, forårsager strækning af grafen. Denne grafenbro knækker til sidst, og der dannes et nanoskopisk hul. Vigtigt, forbindelseskonduktansen kan omstilles reversibelt med næsten seks størrelsesordener i løbet af 1, 000 åbning-lukke-cyklusser; dvs. den fungerer som en elektrisk kontakt, der kan tændes og slukkes mekanisk. Den imponerende mekaniske stabilitet giver mulighed for indsamling af statistisk signifikante data, at fange forskellige adfærd af krydsene over tid og i forskellige miljøer (f.eks. forskellige molekyleorienteringer, i luften, vakuum, væske).

I samarbejde med teorigruppen ledet af prof Jaime Ferrer ved universitetet i Oviedo (Spanien), forskerne bekræftede også interferensen af ​​elektronbølger under målinger i luft ved stuetemperatur. Resultaterne er et vigtigt skridt for både grundlæggende fysik og for fremtidige anvendelser af grafen som en elektromekanisk switch eller biosensing platform.

Elektronisk fingeraftryk

Grafen MCBJ er en unik enhed, der på den ene side er et modelsystem til at studere kvantetransport ved stuetemperatur, og på den anden side kan være et kraftfuldt sanseværktøj til at sondere biomolekyler med meget høj opløsning. Forskerne undersøger i øjeblikket potentialet i denne platform til elektronisk fingeraftryk af biomolekyler, inklusive aminosyrer og korte peptider:Målet er at skelne molekyler med en lille kemisk forskel i henhold til deres elektroniske struktur, som kan 'læses', når molekylerne er fanget i nanogap'en. Dette ville give de første skridt til "tunneling-baseret" biosensing med grafen, en overbevisende vision på institutterne for kvante- og bionanovidenskab på TU Delft.

Forskningen blev delvist finansieret af Graphene Flagship.