Ballistisk transport i lange molekylære ledninger:Porphyrin nanobånd

Til deres forbløffelse var konduktansen af ​​den længste forbindelse (> 7 nm) næsten identisk med den korteste forbindelse, monomeren, som måler lidt mere end 1 nm i længden. Dette er kun muligt i kvanteregimet og viser, at HOMO-LUMO-gab-reduktionen kompenserer for længdeforøgelsen selv ved så store afstande.

Men målinger viste, at elektrontransport stadig er en tunnelproces ved lav bias, og konduktansen var stadig 100-1.000 gange lavere end teoretisk muligt.

Tingene begyndte at blive meget interessante, da forskerne anvendte en varierende forspænding til krydsene. I nogle af krydsene fandt de på imponerende vis en maksimal ledningsevne ved nul-forspænding, som faldt mod større spændinger. Dette er det modsatte af den typiske adfærd.

Lige så forbløffende var konduktansen i disse kryds meget højere end tidligere observeret og nåede i et betydeligt antal kryds den teoretiske konduktansgrænse på 77,5 μS, som også er kendt som 1 G₀ , den størst mulige ledningsevne gennem en enkelt kvantekanal. For at sætte dette i sammenhæng, er dette den typiske ledningsevne for individuelle atomer såsom guld eller sølv.

Ballistisk elektrontransport er kendt i metalliske kulstofnanorør og er også blevet hævdet for meget små molekyler. Nøgleaspektet her er, at dette er første gang, ballistisk ledningsevne er blevet observeret ved lav forspænding i lange (> 7 nm) atomært præcise molekyler med kendte atomkontakter, der forbinder ledningen med elektroderne. Målingerne blev udført i luft og ved stuetemperatur. Dette er en sand milepæl for feltet.

Blandt de mulige mekanismer, der kan forårsage et maksimum i konduktans ved nul-bias, er Kondo en oplagt kandidat. Dette blev dog umiddelbart udelukket, da det er en ren lavtemperaturproces, der forekommer ved få grader Kelvin. Ved stuetemperatur var den eneste forklaring på deres resultater perfekt energiniveaujustering og ballistisk ledningsevne.

Tricket til at få molekylerne til at lede på denne imponerende måde involverer at ændre antallet af elektroner på molekylet og omdanne dem fra neutrale til ladede molekyler (doping). Dette sker, når en fejende forspænding påføres molekylære forbindelser.

Hvis en høj nok bias nås, bringes de molekylære niveauer i resonans med de metalliske elektroder. Det betyder, at de molekylære niveauer (enten HOMO eller LUMO) har samme energi som elektronerne på Fermi-niveauet i en af ​​elektroderne.

I dette resonansregime bevæger elektroner sig frit gennem den molekylære ledning, men lejlighedsvis kan man blive lokaliseret på molekylet. Når dette sker, vises en bemærkelsesværdig effekt. I stedet for at ladningen spredes tilbage på elektroderne, når forspændingen sænkes tilbage til nul, forbliver den ofte på molekylet i lange perioder, i det mindste lige så længe som molekylforbindelsens levetid.

Det er afgørende, at dette ændrer justeringen af ​​de molekylære niveauer på grund af ladningsubalancen på molekylet. Dette er nøgleaspektet i hele processen. Hvad forskerne mener er, at HOMO eller LUMO skifter sådan, at når forspændingen bringes tilbage til nul, i stedet for at have den oprindelige energimismatch, er et molekylært energiniveau nu perfekt på linje med det metalliske Fermi-niveau. Dette forklarer den ballistiske konduktans med lav forspænding.

Det mest spændende øjeblik for Edmund var at se konduktanstoppen ved nulspænding. "Vi forventede at se høje konduktanser ved høje spændinger, men ikke værdier ved eller omkring G₀ ved nul bias" forklarer Edmund.

"Faktisk var vi lidt skuffede over de indledende lav-bias-resultater, som viste, at på trods af de ultrasnævre HOMO-LUMO-gab, er elektrontransport stadig undertrykt for de neutrale molekyler. Vi vidste, at vi var på vej til noget, men da vi begyndte at feje biasspændingen og begyndte at observere ladede molekylære forbindelser med ultrahøje konduktanser. Da vi så detaljeret på dataene og fandt, at konduktansen toppede ved nul-bias, indså vi, at dette var meget godt bevis for ballistisk elektrontransport. "

Resultaterne viser, hvordan molekyler kan opføre sig som metalkæder og lede elektricitet ved den teoretiske grænse, hvilket åbner den spændende mulighed for at bevæge sig ud over 10 nm i enkelt-molekyle konduktansforsøg.

Flere oplysninger: Jie-Ren Deng et al., Ballistic Conductance through Porphyrin Nanoribbons, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c07734

Leveret af IMDEA Nanociencia