Onlangs, aan het Biodesign Institute van de Arizona State University, N.J. Tao en medewerkers hebben een manier gevonden om een ​​belangrijke elektrische component op een fenomenaal kleine schaal te maken. Hun single-molecule diode wordt beschreven in de online editie van deze week van Natuurchemie .

In de elektronicawereld diodes zijn een veelzijdig en alomtegenwoordig onderdeel. Verschijnt in vele soorten en maten, ze worden gebruikt in een eindeloze reeks apparaten en zijn essentiële ingrediënten voor de halfgeleiderindustrie. Componenten inclusief diodes kleiner maken, goedkoper, sneller en efficiënter is de heilige graal van een exploderend elektronicaveld, nu het gebied op nanoschaal onderzoeken.

Kleiner formaat betekent lagere kosten en betere prestaties voor elektronische apparaten. De computer-CPU van de eerste generatie gebruikte een paar duizend transistors, Tao wijst op de steile opmars van siliciumtechnologie. "Nu zelfs eenvoudig, goedkope computers gebruiken miljoenen transistors op een enkele chip."

Maar de laatste tijd, de taak van miniaturisatie is veel moeilijker geworden, en de beroemde uitspraak die bekend staat als de wet van Moore - die stelt dat het aantal op silicium gebaseerde transistors op een chip elke 18-24 maanden verdubbelt - zal uiteindelijk zijn fysieke grenzen bereiken. "De grootte van de transistor bereikt enkele tientallen nanometers, slechts ongeveer 20 keer groter dan een molecuul, ", zegt Tao. "Dat is een van de redenen waarom mensen enthousiast zijn over dit idee van moleculaire elektronica."

Diodes zijn kritische componenten voor een breed scala aan toepassingen, van stroomconversieapparatuur, naar radio's, logische poorten, fotodetectoren en lichtgevende apparaten. In ieder geval, diodes zijn componenten die stroom in de ene richting rond een elektrisch circuit laten stromen, maar niet in de andere. Om een ​​molecuul deze prestatie te laten leveren, Tao legt uit, het moet fysiek asymmetrisch zijn, waarvan het ene uiteinde in staat is een covalente binding te vormen met de negatief geladen anode en het andere uiteinde met het positieve kathode-uiteinde.

De nieuwe studie vergelijkt een symmetrisch molecuul met een asymmetrisch molecuul, detaillering van de prestaties van elk in termen van elektronentransport. "Als je een symmetrisch molecuul hebt, de stroom gaat beide kanten op, net als een gewone weerstand, " merkt Tao op. Dit is potentieel nuttig, maar de diode is een belangrijker (en moeilijker) onderdeel om te repliceren (zie afbeelding).

Het idee om de siliciumlimieten te overschrijden met een op moleculen gebaseerde elektronische component bestaat al een tijdje. "Theoretische scheikundigen Mark Ratner en Ari Aviram stelden in 1974 het gebruik van moleculen voor elektronica zoals diodes voor, "Tao zegt, toevoegend "mensen over de hele wereld proberen dit al meer dan 30 jaar te bereiken."

Bij de meeste inspanningen tot nu toe waren veel moleculen betrokken, Tao-aantekeningen, verwijzend naar moleculaire dunne films. Pas zeer recent zijn serieuze pogingen ondernomen om de obstakels voor ontwerpen met één molecuul te overwinnen. Een van de uitdagingen is om een ​​enkel molecuul te overbruggen naar ten minste twee elektroden die het van stroom voorzien. Een andere uitdaging betreft de juiste oriëntatie van het molecuul in het apparaat. "We zijn nu in staat om dit te doen:een apparaat met één molecuul bouwen met een goed gedefinieerde oriëntatie, ' zegt Tao.

De techniek die door Tao's groep is ontwikkeld, is gebaseerd op een eigenschap die bekend staat als AC-modulatie. "In principe, we passen een beetje periodiek variërende mechanische verstoring toe op het molecuul. Als er een molecuul is overbrugd over twee elektroden, het reageert op één manier. Als er geen molecuul is, wij kunnen het zeggen."

Bij het interdisciplinaire project was professor Luping Yu betrokken, aan de Universiteit van Chicago, die de moleculen voor studie leverde, evenals theoretisch medewerker, Professor Ivan Oleynik van de Universiteit van Zuid-Florida. Het team gebruikte geconjugeerde moleculen, waarin atomen aan elkaar zijn geplakt met afwisselend enkele en meervoudige bindingen. Dergelijke moleculen vertonen een grote elektrische geleidbaarheid en hebben asymmetrische uiteinden die in staat zijn spontaan covalente bindingen te vormen met metalen elektroden om een ​​gesloten circuit te creëren.

De resultaten van het project vergroten het vooruitzicht om diodes met één molecuul te bouwen - de kleinste apparaten die je ooit kunt bouwen. "Ik vind het spannend omdat we in staat zijn om naar een enkele molecuul te kijken en ermee te spelen, " zegt Tao. "We kunnen een spanning aanbrengen, een mechanische kracht, of optisch veld, meet stroom en zie de respons. Omdat de kwantumfysica het gedrag van afzonderlijke moleculen regelt, deze mogelijkheid stelt ons in staat om eigenschappen te bestuderen die verschillen van die van conventionele apparaten."

Chemici, natuurkundigen, materiaal onderzoekers, computationele experts en ingenieurs spelen allemaal een centrale rol in het opkomende gebied van nano-elektronica, waar een dierentuin van beschikbare moleculen met verschillende functies de grondstof leveren voor innovatie. Tao onderzoekt ook de mechanische eigenschappen van moleculen, bijvoorbeeld, hun vermogen om te oscilleren. Bindende eigenschappen tussen moleculen maken ze aantrekkelijke kandidaten voor een nieuwe generatie chemische sensoren. "Persoonlijk, Ik ben geïnteresseerd in moleculaire elektronica, niet vanwege hun potentieel om de huidige siliciumtoepassingen te dupliceren, " zegt Tao. In plaats daarvan, moleculaire elektronica zal profiteren van unieke elektronische, mechanisch, optische en moleculaire bindingseigenschappen die hen onderscheiden van conventionele halfgeleiders. Dit kan ertoe leiden dat toepassingen siliciumapparaten aanvullen in plaats van vervangen.

Bron:Arizona State University (nieuws:web)