Pojedyncze cząsteczki mogą działać jako powtarzalne tranzystory w temperaturze pokojowej

Pojedyńcze cząsteczki

Głównym celem w dziedzinie elektroniki molekularnej jest wytworzenie urządzenia, w którym można uzyskać kontrolowany przepływ ładunku w temperaturze pokojowej. Pierwszym krokiem w tej dziedzinie jest wykazanie, że pojedyncze cząsteczki mogą funkcjonować jako powtarzalne elementy obwodu, takie jak tranzystory lub diody. Zespół naukowców z Uniwersytetu Columbia dowiódł, że istnieje możliwość przełączania urządzenia ze stanu izolacji do przewodzenia przy użyciu zbiorowisk cząsteczek w temperaturze pokojowej.

Bonnie Choi, współautor pracy, stworzył pojedynczy klaster geometrycznie uporządkowanych atomów z rdzeniem nieorganicznym zbudowanym z zaledwie 14 atomów - co daje średnicę około 0,5 nm – i łącznikami, które łączyły rdzeń z dwoma złotymi elektrodami, tworząc coś na kształt makroskopowego obwodu elektrycznego.

Dzięki zastosowaniu techniki skaningowania mikroskopowego naukowcy mogli zmierzyć odpowiedzi cząsteczek na przykładane zmienne napięcia. „Odkryliśmy, że klastry mogą działać bardzo dobrze jako nano-diody o temperaturze pokojowej, których reakcję elektryczną możemy dopasować, zmieniając ich skład chemiczny" - mówi Venkataraman i dodaje: "Teoretycznie granicą dla nas jest pojedynczy atom, ale takie urządzenia nie mogą być wytwarzane i stabilizowane w temperaturze pokojowej. Natomiast jeśli chodzi o klastry molekularne, mamy całkowitą kontrolę nad ich strukturą i możemy zmieniać ich skład w celu wywoływania pożądanej odpowiedzi elektrycznej ".

W poprzednich badaniach używano kropek kwantowych, aby uzyskać podobne efekty, ale ponieważ kropki są znacznie większe i niejednolite pod względem wielkości, wyniki nie były powtarzalne - nie każde urządzenie zachowywało się tak samo. Zespół z Uniwersytetu Columbia pracował na mniejszych nieorganicznych klastrach molekularnych o identycznym kształcie i rozmiarze, więc badacze dokładnie wiedzieli, co mierzyli.

"Większość stworzonych do tej pory urządzeń pracowała w czterech stopniach Kelwina, ale żeby mieć rzeczywiste zastosowanie muszą działać w temperaturze pokojowej, a nasze działa" - mówi Giacomo Lovat, współautor. „Fascynujące jest to, że proste zmiany chemiczne w cząsteczce mogą mieć głęboki wpływ na ich elektroniczna strukturę, prowadząc do różnych właściwości elektrycznych ".

Zespół oceniał działanie diody przez stosunek włączania / wyłączania, który jest stosunkiem między prądem płynącym przez urządzenie, gdy jest włączony, a prądem obecnym w stanie "wyłączonym". W temperaturze pokojowej zaobserwowali współczynnik włączania / wyłączania wynoszący około 600 w połączeniach z pojedynczym klastrem. Szczególnie interesujące było to, że połączenia te charakteryzowały się sekwencyjnym przepływem ładunku: każdy elektron przechodzący przez złącze zatrzymywał się na chwilę. Zwykle, w połączeniach małych cząsteczek, elektrony "popychane" przez złącze tworzą ciągły strumień tak, że nie da się określić dokładnie liczby elektronów na cząsteczce w danej chwili.

"Większość badań nad pojedynczą molekułą przeprowadzono na prostych cząsteczkach organicznych, ponieważ łatwiej na nich pracować", zauważa Venkataraman. "Nasz wspólny wysiłek, dzięki programowi Columbia Nano Initiative, łączy chemię i fizykę, umożliwiając eksperymentowanie z nowymi związkami, takimi jak te molekularne klastry, które mogą być nie tylko bardziej złożone, ale i bardziej interesujące jako składniki elektryczne".

(KB)