Ladninger kaskade langs en molekylær kæde

Små elektroniske kredsløb driver vores hverdag, fra de små kameraer i vores telefoner til mikroprocessorerne i vores computere. For at gøre disse enheder endnu mindre, videnskabsmænd og ingeniører designer kredsløbskomponenter ud af enkelte molekyler. Ikke alene kunne miniaturiserede kredsløb tilbyde fordelene ved øget enhedsdensitet, hastighed, og energieffektivitet - for eksempel i fleksibel elektronik eller i datalagring - men udnyttelse af de fysiske egenskaber af specifikke molekyler kan føre til enheder med unikke funktionaliteter. Imidlertid, at udvikle praktiske nanoelektroniske enheder fra enkelte molekyler kræver præcis kontrol over disse molekylers elektroniske adfærd, og en pålidelig metode til at fremstille dem.

Nu, som rapporteret i journalen Naturelektronik , forskere har udviklet en metode til at fremstille en endimensionel række af individuelle molekyler og til præcist at kontrollere dens elektroniske struktur. Ved omhyggeligt at justere den spænding, der påføres en kæde af molekyler, der er indlejret i et endimensionelt kulstof (grafen) lag, holdet ledet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fandt ud af, at de kunne kontrollere, om alle, ingen, eller nogle af molekylerne bærer en elektrisk ladning. Det resulterende ladningsmønster kunne derefter flyttes langs kæden ved at manipulere individuelle molekyler i enden af ​​kæden.

"Hvis du vil bygge elektriske enheder ud af individuelle molekyler, du har brug for molekyler, der har nyttig funktionalitet, og du skal finde ud af, hvordan du arrangerer dem i et nyttigt mønster. Vi gjorde begge disse ting i dette arbejde, " sagde Michael Crommie, en senior videnskabsmand ved Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede projektet. Forskningen er en del af et US Department of Energy (DOE) Office of Science-finansieret program om karakterisering af funktionelle nanomaskiner, hvis overordnede mål er at forstå de elektriske og mekaniske egenskaber af molekylære nanostrukturer, og at skabe nye molekyle-baserede nanomaskiner, der er i stand til at omdanne energi fra en form til en anden på nanoskala.

Nøgletræk ved det fluorrige molekyle udvalgt af Berkeley Lab-teamet er dets stærke tendens til at acceptere elektroner. For at kontrollere de elektroniske egenskaber af en præcist justeret kæde af 15 sådanne molekyler aflejret på et grafensubstrat, Crommie, som også er professor i fysik ved UC Berkeley, og hans kolleger placerede en metallisk elektrode under grafenen, der også var adskilt fra den af ​​et tyndt isolerende lag. Påføring af en spænding mellem molekylerne og elektroden driver elektroner ind i eller ud af molekylerne. På den måde, de grafen-understøttede molekyler opfører sig lidt som en kondensator, en elektrisk komponent, der bruges i et kredsløb til at lagre og frigive ladning. Men, i modsætning til en "normal" makroskopisk kondensator, ved at indstille spændingen på bundelektroden kunne forskerne kontrollere, hvilke molekyler der blev ladet, og hvilke der forblev neutrale.

I tidligere undersøgelser af molekylære samlinger, molekylernes elektroniske egenskaber kunne ikke både tunes og afbildes på atomare længdeskalaer. Uden den ekstra billeddannelsesevne kan forholdet mellem struktur og funktion ikke forstås fuldt ud i sammenhæng med elektriske enheder. Ved at placere molekylerne i en specialdesignet skabelon på grafensubstratet udviklet på Berkeley Labs Molecular Foundry nanoskala videnskabsbrugerfacilitet, Crommie og hans kolleger sikrede, at molekylerne var fuldstændig tilgængelige for både mikroskopobservation og elektrisk manipulation.

Som forventet, at påføre en stærk positiv spænding på den metalliske elektrode under grafenen, der understøttede molekylerne, fyldte dem med elektroner, efterlader hele det molekylære array i en negativt ladet tilstand. Fjernelse eller vending af den spænding fik alle de tilføjede elektroner til at forlade molekylerne, at returnere hele arrayet til en ladningsneutral tilstand. Ved en mellemspænding, imidlertid, elektroner fylder kun hvert andet molekyle i arrayet, dermed skabe et "skaktern" mønster af ladning. Crommie og hans team forklarer denne nye adfærd ved, at elektroner frastøder hinanden. Hvis to ladede molekyler midlertidigt skulle optage tilstødende steder, så ville deres frastødning skubbe en af ​​elektronerne væk og tvinge den til at sætte sig et sted længere nede i molekylrækken.

"Vi kan gøre alle molekylerne tomme for ladning, eller alle fuld, eller skiftevis. Vi kalder det et kollektivt ladningsmønster, fordi det er bestemt af elektron-elektron frastødning gennem hele strukturen, " sagde Crommie.

Beregninger foreslog, at i et array af molekyler med vekslende ladninger skulle det terminale molekyle i arrayet altid indeholde en ekstra elektron, da det molekyle ikke har en anden nabo til at forårsage frastødning. For eksperimentelt at undersøge denne type adfærd, Berkeley Lab-holdet fjernede det endelige molekyle i en række molekyler, der havde vekslende ladninger. De fandt ud af, at det oprindelige ladningsmønster var skiftet med ét molekyle:steder, der var blevet ladet, blev neutrale og omvendt. Forskerne konkluderede, at før det ladede terminale molekyle blev fjernet, molekylet, der støder op til det, må have været neutralt. I sin nye position i slutningen af ​​arrayet, det tidligere andet molekyle blev derefter ladet. For at opretholde det vekslende mønster mellem ladede og uladede molekyler, hele ladningsmønsteret skulle skifte med et molekyle.

Hvis ladningen af ​​hvert molekyle opfattes som en smule information, fjernelse af det endelige molekyle bevirker, at hele informationsmønsteret skifter en position. Denne adfærd efterligner et elektronisk skifteregister i et digitalt kredsløb og giver nye muligheder for at overføre information fra en region af en molekylær enhed til en anden. At flytte et molekyle i den ene ende af arrayet kan tjene som at slå en kontakt til eller fra et andet sted i enheden, giver nyttig funktionalitet til et fremtidigt logisk kredsløb.

"En ting, som vi fandt virkelig interessant ved dette resultat, er, at vi var i stand til at ændre den elektroniske ladning og derfor egenskaberne af molekyler fra meget langt væk. Det kontrolniveau er noget nyt, " sagde Crommie.

Med deres molekylære array nåede forskerne målet om at skabe en struktur, der har meget specifik funktionalitet; det er, en struktur, hvis molekylære ladninger kan finjusteres mellem forskellige mulige tilstande ved at påføre en spænding. Ændring af ladningen af ​​molekylerne forårsager en ændring i deres elektroniske adfærd og, som resultat, i hele enhedens funktionalitet. Dette arbejde kom ud af en DOE-bestræbelse på at konstruere præcise molekylære nanostrukturer, der har veldefineret elektromekanisk funktionalitet.

Berkeley Lab-teamets teknik til at kontrollere molekylære ladningsmønstre kan føre til nye designs til elektroniske komponenter i nanoskala, herunder transistorer og logiske porte. Teknikken kan også generaliseres til andre materialer og inkorporeres i mere komplekse molekylære netværk. En mulighed er at tune molekylerne for at skabe mere komplekse ladningsmønstre. For eksempel, at erstatte et atom med et andet i et molekyle kan ændre molekylets egenskaber. Placering af sådanne ændrede molekyler i arrayet kunne skabe ny funktionalitet. Baseret på disse resultater planlægger forskerne at udforske den funktionalitet, der opstår fra nye variationer inden for molekylære arrays, samt hvordan de potentielt kan bruges som bittesmå kredsløbskomponenter. Ultimativt, de planlægger at inkorporere disse strukturer i mere praktiske enheder i nanoskala.