Undersøgelse af interaktioner ved molekylære forbindelser for nye elektroniske enheder

Strukturen af ​​en molekylær forbindelse med ikke-kovalent interaktion spiller en nøglerolle i elektrontransport, afslører en nylig undersøgelse udført af forskere ved Tokyo Tech. Gennem samtidig overfladeforstærket Raman-spredning og strøm-spændingsmålinger fandt de ud af, at en enkelt dimer-forbindelse af naphthalenthiol-molekyle viser tre forskellige bindinger, nemlig π–π intermolekylære og gennem-π og gennem-rum molekyle-elektrode interaktioner.

π–π-vekselvirkningen er en type ikke-kovalent interaktion, der opstår, når elektronskyerne i π-orbitaler af aromatiske ringe eller π-konjugerede molekylære systemer overlapper hinanden. Denne interaktion muliggør en effektiv bevægelse af elektroner mellem molekylerne, hvilket giver mulighed for at designe materialer med unikke elektroniske egenskaber.

Strukturen af ​​krydsene dannet af disse molekyler spiller en afgørende rolle for elektrontransport. Imidlertid har utilstrækkelig strukturel information om disse krydsninger gjort det udfordrende at etablere en klar sammenhæng mellem strukturen og elektrontransportegenskaberne.

For at løse dette vidensgab har en gruppe forskere fra Japan, ledet af adjunkt Satoshi Kaneko og lektor Tomoaki Nishino fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), for nylig fremstillet en enkelt dimer- og monomerforbindelse af naphthalenthiol (NT) molekyle og gennemførte en detaljeret undersøgelse af deres struktur og elektrontransportegenskaber ved hjælp af kombinerede optiske og elektriske målinger. Deres undersøgelse blev offentliggjort for nylig i Journal of the American Chemical Society .

Forskerne fremstillede krydset ved først at afsætte en guldelektrode på en fosforbronzeplade belagt med et polyimidlag. Dernæst fjernede de selektivt polyimidmaterialet under det centrale område af guldelektroden og dannede en fritstående struktur. Til sidst tilføjede de ethanolopløsning indeholdende NT dråbevis til substratet, hvilket resulterede i dannelsen af ​​et enkelt lag af NT-molekyler, der forbinder guldelektroderne.

Efter at have fremstillet krydset, udførte forskerne derefter simultan in situ overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) og strømspændingsmålinger (I-V) ved at anvende den mekanisk kontrollerbare break-junction-teknik. "Dette blev efterfulgt af en korrelationsanalyse af den målte vibrationsenergi og elektriske konduktansværdier, hvilket muliggjorde identifikation af intermolekylære og molekyle-elektrode interaktioner og transportegenskaber i NT krydset," forklarer Dr. Kaneko.

Strøm-spændingsmålingerne afslørede distinkte tilstande med høj ledningsevne og lav ledningsevne. Mens en højkonduktanstilstand stammer fra en NT-monomerforbindelse, hvor molekylet interagerer direkte med guldelektroder gennem direkte π-binding, opstod lavkonduktanstilstanden på grund af en NT-dimer dannet ved intermolekylær π-π-interaktion.

Men overvejelse af vibrationsenergi sammen med konduktans bekræftede tre forskellige strukturer ved krydset, svarende til henholdsvis en højkonduktanstilstand og to lavkonduktanstilstande. Når naphthalenringen - i både dimer- og monomerkonfigurationer - interagerede direkte med guldelektroderne gennem π-kobling, blev der dannet stærkt ledende forbindelser. Omvendt resulterede svage interaktioner mellem naphthalenringen og guldelektroden gennem rumkobling i svagt ledende forbindelser.

"Den samtidige anvendelse af SERS og I-V teknik kunne skelne mellem de forskellige ikke-kovalente interaktioner i NT molekylære krydset, kaste lys over dets elektrontransportegenskaber. Derudover blev den ikke-kovalente karakter også afsløret af effekttæthedsspektrene," siger Dr. Nishino.

De nuværende resultater giver således vigtig indsigt i π–π-interaktioner, der kan bane vejen for at bruge aromatiske molekyler i design af fremtidige elektroniske enheder og teknologier.

Flere oplysninger: Kanji Homma et al., Intermolekylær og elektrode-molekylebinding i en enkelt dimer forbindelse af naphthalenthiol som afsløret ved overfladeforstærket Raman-spredning kombineret med transportmålinger, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c02050

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Tokyo Institute of Technology