NUS-natuurkundigen hebben ontdekt dat complexe elektron-elektron-interacties de energieniveaus op molecuul-metaalinterfaces veranderen, die de prestaties van moleculaire elektronische apparaten beïnvloeden.

Moleculaire elektronica omvat het gebruik van moleculen als de belangrijkste bouwsteen voor het maken van de elektronische schakelingen. Het kan potentieel worden gebruikt om circuits te ontwikkelen die veel kleiner zijn dan die gemaakt van conventionele siliciumprocessen. Inzicht in de elektronische eigenschappen van de interface tussen de moleculen en metalen geleiders, met name hun bijbehorende energieniveaus, is belangrijk voor het rationaliseren en optimaliseren van de apparaatprestaties. Dit staat centraal bij de ontwikkeling van moleculaire elektronica.

Een fundamentele eigenschap van elk molecuul is de energiekloof, gedefinieerd als het energieverschil tussen het hoogste en laagste orbitale energieniveau dat respectievelijk wordt ingenomen en onbezet door elektronen. Deze niveaus zijn ook de belangrijkste energieniveaus voor de prestaties van het apparaat. De energiekloof van een molecuul wordt kleiner wanneer het molecuul dicht bij een metalen oppervlak wordt gebracht; dit maakt het gemakkelijker voor ladingsdragers om tussen het molecuul en het metaalcontact te bewegen. Deze verandering in spleet wordt voornamelijk veroorzaakt door elektronische afschermingseffecten van het metalen oppervlak, en kan zo groot zijn als enkele elektronvolts. Echter, dit elektronische screeningseffect ontbreekt in de meeste theoretische studies over dit onderwerp.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Su Ying QUEK, van het departement Natuurkunde, NUS heeft de elektronische structuureigenschappen van de interface opgehelderd voor een aantal verschillende moleculen op gouden oppervlakken met behulp van geavanceerde theoretische en computationele methoden die expliciet rekening houden met elektronische screeningseffecten van de eerste principes. De onderzoekers voerden berekeningen uit op moleculaire systemen die verankerd zijn door gemeenschappelijke chemische functionele groepen (amine, pyridine- en thiolaatgroepen). Het onderzoeksteam ontdekte dat voor een enkel molecuul, het elektronische afschermingseffect kan nauwkeurig worden voorspeld uit een beeldladingsmodel, zelfs in aanwezigheid van chemische bindingen. Het beeldladingmodel is een klassieke elektrostatische methode die de elektronische screening van een testlading benadert door een beeldlading in het metaal. Echter, in apparaten met veel moleculen, de onderzoekers vonden significante aanvullende elektronische screeningmechanismen. Naast intermoleculaire screeningseffecten, substraat-gemedieerde intermoleculaire interacties blijken ook bij te dragen aan deze aanvullende screeningmechanismen. De bevindingen suggereren dat ladingsdragers gemakkelijker over de interface kunnen tunnelen in apparaten met veel moleculen.

Prof Quek zei:"Dit werk biedt waardevolle inzichten in de vele elektroneneffecten op de molecuul-metaalinterfaces met chemische bindingen. De resultaten en bevindingen van dit onderzoek vormen een belangrijke stap naar het begrip en de manipulatie van functionele organische systemen bij de ontwikkeling van moleculaire apparaten."