Brug af lys til præcist at kontrollere enkelt-molekyle enheder

I en ny Nature Communications undersøgelse, rapporterer Columbia Engineering-forskere, at de har bygget meget ledende, afstembare enkeltmolekyle-enheder, hvori molekylet er fastgjort til ledninger ved at bruge direkte metal-metal-kontakter. Deres nye tilgang bruger lys til at kontrollere enhedernes elektroniske egenskaber og åbner døren til bredere brug af metal-metal-kontakter, der kunne lette elektrontransport over enheden med enkelt molekyle.

Da enheder fortsætter med at krympe, skal deres elektroniske komponenter også miniaturiseres. Enkeltmolekyle enheder, som bruger organiske molekyler som deres ledende kanaler, har potentialet til at løse de miniaturiserings- og funktionaliseringsudfordringer, som traditionelle halvledere står over for. Sådanne enheder giver den spændende mulighed for at blive styret eksternt ved hjælp af lys, men indtil nu har forskere ikke været i stand til at påvise dette.

"Med dette arbejde har vi låst op for en ny dimension inden for molekylær elektronik, hvor lys kan bruges til at kontrollere, hvordan et molekyle binder sig i mellemrummet mellem to metalelektroder," sagde Latha Venkataraman, en pioner inden for molekylær elektronik og Lawrence Gussman professor i Anvendt fysik og professor i kemi ved Columbia Engineering. "Det er som at vende en kontakt på nanoskalaen og åbne op for alle mulige muligheder for at designe smartere og mere effektive elektroniske komponenter."

Venkataramans gruppe har studeret de grundlæggende egenskaber ved enkeltmolekyle-enheder i næsten to årtier og udforsket samspillet mellem fysik, kemi og teknik på nanometerskalaen. Hendes underliggende fokus er på at bygge enkeltmolekyle kredsløb, et molekyle knyttet til to elektroder med varieret funktionalitet, hvor kredsløbsstrukturen er defineret med atomær præcision.

Hendes gruppe, såvel som dem, der skaber funktionelle enheder med grafen, et kulstofbaseret todimensionelt materiale, har vidst, at det er en stor udfordring at skabe gode elektriske kontakter mellem metalelektroder og kulstofsystemer. En løsning ville være at bruge organo-metalliske molekyler og udtænke metoder til at forbinde elektriske ledninger til metalatomerne i molekylet. Med henblik på dette mål besluttede de at udforske brugen af ​​organo-metalliske jernholdige ferrocene molekyler, som også anses for at være små byggesten i nanoteknologiens verden.

Ligesom LEGO-brikker kan stables sammen for at skabe komplekse strukturer, kan ferrocænmolekyler bruges som byggeklodser til at konstruere ultrasmå elektroniske enheder. Holdet brugte et molekyle termineret af en ferrocengruppe bestående af to kulstofbaserede cyclopentadienylringe, der indlejrer et jernatom.

De brugte derefter lys til at udnytte de elektrokemiske egenskaber af de ferrocen-baserede molekyler til at danne en direkte binding mellem ferrocen-jerncentret og guld-(Au)-elektroden, når molekylet var i en oxideret tilstand (dvs. når jernatomet havde mistet en elektron). I denne tilstand opdagede de, at ferrocen kunne binde sig til guldelektroderne, der blev brugt til at forbinde molekylet med det eksterne kredsløb. Teknisk set muliggjorde oxidation af ferrocen bindingen af ​​en Au ⁰ til en Fe ³⁺ center.

"Ved at udnytte den lysinducerede oxidation fandt vi en måde at manipulere disse små byggeklodser ved stuetemperatur og åbne døre til en fremtid, hvor lys kan bruges til at kontrollere adfærden af ​​elektroniske enheder på molekylært niveau," sagde studiets leder. forfatteren Woojung Lee, der er ph.d. studerende i Venkararamans laboratorium.

Venkataramans nye tilgang vil gøre det muligt for hendes team at udvide de typer af molekylære termineringer (kontakt) kemi, de kan bruge til at skabe enkelt-molekyle enheder. Denne undersøgelse viser også evnen til at tænde og slukke for denne kontakt ved at bruge lys til at ændre oxidationstilstanden af ​​ferrocen, hvilket demonstrerer en lys-switchbar ferrocen-baseret enkelt-molekyle enhed. De lyskontrollerede enheder kunne bane vejen for udviklingen af ​​sensorer og switches, der reagerer på specifikke lysbølgelængder, og tilbyder mere alsidige og effektive komponenter til en lang række teknologier.

Flere oplysninger: Woojung Lee et al., Fotooxidationsdrevet dannelse af Fe-Au-forbundne ferrocen-baserede enkeltmolekyleforbindelser, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45707-z

Leveret af Columbia University School of Engineering and Applied Science