Styring af ladningstilstanden af ​​organiske molekyle kvanteprikker i et 2-D nanoarray

En eksperimentel undersøgelse fra Monash University har fremstillet en selvsamlet, kulstofbaseret nanofilm, hvor ladningstilstanden (dvs. elektronisk neutral eller positiv) kan styres på niveauet af individuelle molekyler, på en længdeskala på omkring en nanometer.

Den atomisk tynde nanofilm består af en ordnet todimensionel (2-D) række af molekyler, der opfører sig som "nuldimensionelle" enheder kaldet kvanteprikker (QD'er).

Dette system har spændende konsekvenser for områder som computerhukommelse, lysemitterende enheder og kvanteberegning.

Skolen for Fysik og Astronomi undersøgelse viser, at en enkeltkomponent, selvsamlet 2-D-array af det organiske (carbonbaserede) molekyle dicyanoanthracen kan syntetiseres på et metal, sådan at ladetilstanden af ​​hvert molekyle kan styres individuelt via et påført elektrisk felt.

"Denne opdagelse ville muliggøre fremstillingen af ​​2-D-arrays af individuelt adresserbare (omskiftelige) kvanteprikker fra bunden og op, via selvmontering, siger hovedforfatter Dhaneesh Kumar.

"Vi ville være i stand til at opnå tætheder, der er titusinder gange større end state-of-the-art, top-down syntetiserede uorganiske systemer."

Kvanteprikker:bittesmå, "nuldimensionelle" kraftcentre

Kvanteprikker er ekstremt små - omkring en nanometer på tværs (dvs. en milliontedel af en millimeter).

Fordi deres størrelse svarer til elektronernes bølgelængde, deres elektroniske egenskaber er radikalt forskellige fra konventionelle materialer.

I kvanteprikker, elektronernes bevægelse er begrænset af denne ekstremt lille skala, resulterer i diskrete elektroniske kvanteenerginiveauer.

Effektivt, de opfører sig som "nuldimensionelle" (0D) objekter, hvor belægningsgraden (fyldte eller tomme) af deres kvantificerede elektroniske tilstande bestemmer afgiften (i denne undersøgelse, neutral eller negativ) af kvanteprikken.

Ordnede arrays af ladningskontrollerbare kvanteprikker kan finde anvendelse i computerhukommelse såvel som lysemitterende enheder (f.eks. lavenergi-tv eller smartphone-skærme).

Arrays af kvanteprikker syntetiseres konventionelt fra uorganiske materialer via top-down fremstillingsmetoder. Imidlertid, ved at bruge sådanne "top-down" tilgange, det kan være udfordrende at opnå arrays med store tætheder og høj homogenitet (med hensyn til kvantepunktstørrelse og -afstand).

På grund af deres tunerbarhed og selvsamlende evne, Brug af organiske (kulstofbaserede) molekyler som byggesten i nanostørrelse kan være særlig nyttig til fremstilling af funktionelle nanomaterialer, især veldefinerede skalerbare ensembler af kvanteprikker.

Studiet

Forskerne syntetiserede en homogen, enkeltkomponent, selvsamlet 2-D-array af det organiske molekyle dicyanoanthracen (DCA) på en metaloverflade.

Undersøgelsen blev ledet af Monash Universitys fakultet for naturvidenskab, med støtte af teori fra Monash Faculty of Engineering.

Disse strukturelle og elektroniske egenskaber i atom-skala af denne nanoskala-array blev undersøgt eksperimentelt via lavtemperatur-scanning-tunneling-mikroskopi (STM) og atomic force microscopy (AFM) (School of Physics and Astronomy, under Dr. Agustin Schiffrin). Teoretiske undersøgelser ved hjælp af tæthedsfunktionel teori understøttede de eksperimentelle resultater (Institut for Materialevidenskab og Ingeniørvidenskab, under A/Prof Nikhil Medhekar).

Forskerne fandt ud af, at ladningen af ​​individuelle DCA-molekyler i det selvsamlede 2-D-array kan styres (skiftes fra neutral til negativ og omvendt) af et påført elektrisk felt. Denne ladningstilstand elektrisk felt-kontrol aktiveres af en effektiv tunnelbarriere mellem molekyle og overflade (som følge af begrænsede metal-adsorbat-interaktioner) og en betydelig DCA-elektronaffinitet.

Diskret, stedafhængige variationer af den molekylære adsorptionsgeometri viste sig at give anledning til betydelige variationer i modtageligheden for elektrisk felt-induceret opladning.

"Elektrisk feltkontrol af molekylær ladningstilstand i en enkeltkomponent 2-D organisk nanoarray" blev offentliggjort i ACS Nano .