Japanse onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om grote delen van halfgeleidend materiaal te bouwen van slechts twee moleculen dik en in totaal 4,4 nanometer hoog. De films functioneren als dunnefilmtransistoren, en potentiële toekomstige toepassingen hebben in flexibele elektronica of chemische detectoren. Deze dunne-filmtransistors zijn het eerste voorbeeld van halfgeleidende enkelvoudige moleculaire dubbellagen die zijn gemaakt met verwerking van vloeibare oplossingen, een standaard productieproces dat de kosten minimaliseert.

"We willen elektronische apparaten de eigenschappen van echte celmembranen geven:flexibel, sterk, gevoelig, en superdun. We hebben een nieuwe manier gevonden om halfgeleidende enkelvoudige moleculaire dubbellagen te ontwerpen waarmee we grote oppervlakten kunnen vervaardigen, tot 100 vierkante centimeter (39 vierkante inch). Ze kunnen functioneren als hoogwaardige dunne-filmtransistors en kunnen in de toekomst veel toepassingen hebben, " zei assistent-professor Shunto Arai, de eerste auteur van de recente onderzoekspublicatie.

Professor Tatsuo Hasegawa van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Tokyo leidde het team dat de nieuwe film bouwde. De doorbraak die verantwoordelijk is voor hun succes is een concept genaamd geometrische frustratie, die een moleculaire vorm gebruikt die het moeilijk maakt voor moleculen om zich in meerdere lagen op elkaar te vestigen.

De folie is transparant, maar de krachten van aantrekking en afstoting tussen de moleculen creëren een georganiseerde, herhaald visgraatpatroon wanneer de film van bovenaf door een microscoop wordt bekeken. De algehele moleculaire structuur van de dubbellaag is zeer stabiel. Onderzoekers geloven dat het mogelijk moet zijn om dezelfde structuur op te bouwen uit verschillende moleculen met verschillende functionaliteiten.

De afzonderlijke moleculen die in de huidige film worden gebruikt, zijn verdeeld in twee gebieden:een kop en een staart. De kop van het ene molecuul stapelt zich op het andere, met hun staarten in tegengestelde richtingen zodat de moleculen een verticale lijn vormen. Deze twee moleculen zijn omgeven door identieke head-to-head-paren van moleculen, die allemaal samen een sandwich vormen die een moleculaire dubbellaag wordt genoemd.

Onderzoekers ontdekten dat ze konden voorkomen dat extra dubbellagen bovenop stapelen door de dubbellaag te bouwen uit moleculen met staarten van verschillende lengte, dus de oppervlakken van de dubbellaag zijn ruw en ontmoedigen natuurlijk stapelen. Dit effect van verschillende lengtes wordt geometrische frustratie genoemd.

Standaardmethoden voor het maken van halfgeleidende moleculaire dubbellagen kunnen de dikte niet regelen zonder scheuren of een onregelmatig oppervlak te veroorzaken. De geometrische frustratie van staarten met verschillende lengtes heeft onderzoekers in staat gesteld deze valkuilen te vermijden en een vierkant van 10 cm bij 10 cm (3,9 inch bij 3,9 inch) van hun film te bouwen met behulp van de gebruikelijke industriële methode van oplossingsverwerking.

De halfgeleidende eigenschappen van de dubbellaag kunnen de films toepassingen geven in flexibele elektronica of chemische detectie.

Halfgeleiders kunnen schakelen tussen toestanden die elektriciteit laten stromen (geleiders) en toestanden die voorkomen dat elektriciteit vloeit (isolatoren). Door deze aan-uitschakeling kunnen transistors snel weergegeven afbeeldingen wijzigen, zoals een afbeelding op een LCD-scherm. De enkele moleculaire dubbellaag die door het UTokyo-team is gemaakt, is veel sneller dan dunne-filmtransistors van amorf silicium. een veelvoorkomend type halfgeleider dat momenteel in de elektronica wordt gebruikt.