Onderzoekers demonstreren een hoge elektrische geleiding voor een anti-aromatisch nikkelcomplex - een orde van grootte hoger dan voor een vergelijkbaar aromatisch complex. Omdat de geleiding ook kan worden afgesteld door elektrochemische poorten, anti-aromatische complexen zijn veelbelovende materialen voor toekomstige elektronische apparaten.

Organische materialen hebben vaak lagere productiekosten dan traditionele elektrische geleiders zoals metalen en halfgeleiders. Niet alle organische systemen geleiden elektriciteit goed, echter. Er is voorspeld dat een klasse van organische materialen die bekend staat als anti-aromatische verbindingen - met vlakke ringen van koolstofatomen die een aantal elektronen delen dat een veelvoud van vier is - uitstekende geleiders zijn, maar deze voorspelling was moeilijk te verifiëren omdat anti-aromatische moleculen meestal onstabiel zijn. Nutsvoorzieningen, Shintaro Fujii en Manabu Kiguchi van het Tokyo Institute of Technology en collega's hebben een systematische studie uitgevoerd van ladingstransport in een enkele, stabiel anti-aromatisch molecuul. Vergeleken met een structureel verwant aromatisch molecuul (waar de koolstofringen twee extra elektronen delen), zijn record elektrische geleiding is een orde van grootte hoger.

De onderzoekers bestudeerden een bepaald op norcorrool gebaseerd nikkelcomplex, Ni (noch), die anti-aromatisch maar stabiel is, en een structureel vergelijkbare aromatische, op porfyrine gebaseerd nikkelcomplex, Ni (porf). Ze maten de geleidbaarheid van de twee verbindingen door middel van de scanning tunneling microscopie break-junction techniek; in zo'n opstelling, de stroom door een enkel molecuul ingeklemd tussen twee delen van een gebroken junctie wordt gemeten als een functie van de aangelegde spanning. Met een geleidbaarheid van meer dan 4 ^10-4 geleidingskwanta, Ni(nor) is het meest geleidende bekende organometaalcomplex. Ni(porph) bleek een waarde te hebben die ongeveer 25 keer lager was, een resultaat dat de superieure geleidbaarheid van anti-aromatische moleculen bevestigt. Via theoretische berekeningen van de elektronische structuur en ladingstransporteigenschap van de moleculen, de wetenschappers waren in staat om de oorsprong van de anti-aromaticiteit-versterkte geleiding te identificeren:voor Ni (nor), de laagste onbezette moleculaire orbitaal ligt dichter bij het Fermi-niveau (de hoeveelheid werk die nodig is om één elektron aan het systeem toe te voegen) dan voor Ni (porph).

Fujii en collega's zijn er ook in geslaagd om de afstembaarheid van de geleidbaarheid van één molecuul van Ni (nor) aan te tonen. Door een techniek toe te passen die bekend staat als elektrochemische poorten, die het mogelijk maakt de moleculaire energieniveaus te regelen ten opzichte van het Fermi-niveau van de source- en drain-elektroden (van de enkelvoudige molecuulovergang) door een toegepaste elektrochemische potentiaal te variëren, de onderzoekers toonden een 5-voudige modulatie van de geleidbaarheid van Ni(nor).

De bevindingen van Fujii en collega's laten zien dat anti-aromatische materialen veelbelovende goedkope systemen zijn met een hoge elektrische geleiding. In de woorden van de onderzoekers, hun studie "biedt relevante richtlijnen voor het ontwerp van moleculaire materialen voor hooggeleidende elektronica met één molecuul.

Achtergrond

Aromaticiteit en antiaromaticiteit

Organische moleculen worden aromatisch genoemd als ze een vlakke ring van koolstofatomen met resonantiebindingen hebben - een soort binding tussen een enkele en een dubbele binding, resulterend in een hoge chemische stabiliteit (d.w.z. lage reactiviteit). Het archetypische aromatische molecuul is benzeen, C ₆ H ₆ , met een zeshoekige aromatische ring van koolstofatomen. Het aantal elektronen (zogenaamde π-elektronen) dat door de ring wordt gedeeld, is altijd een veelvoud van vier plus twee (voor benzeen, bijvoorbeeld, het is zes), een eigenschap die bekend staat als de regel van Hückel.

Antiaromaticiteit is een vergelijkbare eigenschap:een vlakke koolstofring, maar met een aantal π-elektronen is dat een veelvoud van vier (voor cyclobutadieen, bijvoorbeeld, het is vier). Een dergelijke situatie leidt tot chemische instabiliteit.

Fujii en collega's werkten met een stal, complex op nikkelbasis met een anti-aromatische groep. Vergeleken met een soortgelijk complex met een aromatische groep, zijn geleiding is een orde van grootte groter, bevestigt de eerdere voorspelling dat anti-aromatische moleculen uitstekende elektrische geleiders zijn.

Geleiding

Hoe goed een materiaal elektriciteit geleidt, wordt uitgedrukt via een grootheid die elektrische geleiding wordt genoemd, G. Het is het omgekeerde van elektrische weerstand, R =1/G. Geleiding wordt gedefinieerd als de verhouding van de stroom I die door het materiaal loopt (of, in het huidige werk, een enkel molecuul) en de spanning V erover. De eenheid van geleidbaarheid is de siemens, S, maar geleidingswaarden worden vaak gegeven met betrekking tot het geleidingsquantum, G0 ≈ 7,7 x 10 ^–5 S.

Fujii en collega's verkregen waarden van de geleidbaarheid voor gerelateerde anti-aromatische en aromatische op nikkel gebaseerde complexen door hun stroom-spanning (I-V) kenmerken te meten in een scanning-tunneling microscopie (STM) opstelling.