Forskere bygger den længste højledende molekylære nanotråd 

Efterhånden som vores enheder bliver mindre og mindre, bliver brugen af ​​molekyler som hovedkomponenter i elektroniske kredsløb stadig mere kritisk. I løbet af de sidste 10 år har forskere forsøgt at bruge enkelte molekyler som ledende ledninger på grund af deres lille skala, distinkte elektroniske egenskaber og høje afstemningsevne. Men i de fleste molekylære ledninger, når længden af ​​ledningen øges, falder effektiviteten, hvormed elektroner transmitteres over ledningen, eksponentielt. Denne begrænsning har gjort det særligt udfordrende at bygge en lang molekylær ledning - en der er meget længere end en nanometer - som faktisk leder elektricitet godt.

Columbia-forskere meddelte i dag, at de har bygget en nanotråd, der er 2,6 nanometer lang, viser en usædvanlig stigning i ledningsevnen, når trådlængden øges, og har kvasi-metalliske egenskaber. Dens fremragende ledningsevne lover meget for området molekylær elektronik, hvilket gør det muligt for elektroniske enheder at blive endnu mindre. Undersøgelsen er offentliggjort i dag i Nature Chemistry .

Molekylære ledningsdesign

Holdet af forskere fra Columbia Engineering og Columbias afdeling for kemi, sammen med teoretikere fra Tyskland og syntetiske kemikere i Kina, udforskede molekylære ledningsdesign, der ville understøtte uparrede elektroner i begge ender, da sådanne ledninger ville danne endimensionelle analoger til topologiske isolatorer ( TI), der er stærkt ledende gennem deres kanter, men isolerende i midten.

Mens den enkleste 1D TI er lavet af kun carbonatomer, hvor de terminale carboner understøtter de radikale tilstande - uparrede elektroner, er disse molekyler generelt meget ustabile. Kulstof kan ikke lide at have uparrede elektroner. Udskiftning af de terminale kulstofatomer, hvor radikalerne er, med nitrogen øger molekylernes stabilitet. "Dette gør 1D TI'er lavet med kulstofkæder, men afsluttet med nitrogen meget mere stabile, og vi kan arbejde med disse ved stuetemperatur under omgivende forhold," sagde teamets medleder Latha Venkataraman, Lawrence Gussman professor i anvendt fysik og professor i kemi.

Bryder reglen om eksponentielt henfald

Gennem en kombination af kemisk design og eksperimenter skabte gruppen en række endimensionelle TI'er og brød med succes reglen om eksponentiel henfald, en formel for processen med en mængde, der falder med en hastighed, der er proportional med dens nuværende værdi. Ved at bruge de to radikal-kanttilstande genererede forskerne en stærkt ledende vej gennem molekylerne og opnåede et "omvendt konduktansforfald", dvs. et system, der viser en stigende konduktans med stigende ledningslængde.

"Det, der virkelig er spændende, er, at vores ledning havde en konduktans i samme skala som den af ​​guld-metal-metal-punktkontakter, hvilket tyder på, at molekylet selv viser kvasi-metalliske egenskaber," sagde Venkataraman. "Dette arbejde viser, at organiske molekyler kan opføre sig som metaller på enkeltmolekyleniveau i modsætning til, hvad der var blevet gjort tidligere, hvor de primært var svagt ledende."

Forskerne designet og syntetiserede en bis(triarylaminer) molekylær serie, som udviste egenskaber af en endimensionel TI ved kemisk oxidation. De foretog konduktansmålinger af enkeltmolekyleforbindelser, hvor molekyler var forbundet til både source- og drænelektroderne. Gennem målingerne viste holdet, at de længere molekyler havde en højere ledningsevne, som virkede, indtil ledningen var længere end 2,5 nanometer, diameteren af ​​en streng af menneskelig DNA.

Læger grundlaget for flere teknologiske fremskridt inden for molekylær elektronik

"Venkataraman-laboratoriet søger altid at forstå samspillet mellem fysik, kemi og konstruktion af elektroniske enheder med enkelt molekyle," tilføjede Liang Li, en Ph.D. studerende i laboratoriet, og en medførsteforfatter af papiret. "Så skabelsen af ​​disse særlige ledninger vil lægge grunden til store videnskabelige fremskridt i forståelsen af ​​transport gennem disse nye systemer. Vi er meget begejstrede for vores resultater, fordi de kaster lys ikke kun på grundlæggende fysik, men også på potentielle anvendelser i fremtiden."

Gruppen er i øjeblikket ved at udvikle nye designs til at bygge molekylære ledninger, der er endnu længere og stadig meget ledende. + Udforsk yderligere

Nye molekylære ledninger til elektroniske enheder med enkelt molekyle