(Phys.org) — De elektronica van de toekomst zou moleculen kunnen gebruiken om te rekenen. De kleine deeltjes zouden dan de taken kunnen overnemen die momenteel worden gedaan door siliciumtransistors, bijvoorbeeld. Onderzoekers van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society in Berlijn hebben een nanodraad gebruikt die mogelijk stroom kan geleiden tussen moleculaire transistors of verschillende componenten. Het kleine geleidende spoor bestaat uit een smalle grafeenband, dat is een strook van een enkele laag koolstof. Hun volgende stap was het gebruik van een scanning tunneling microscoop om gecompliceerde metingen uit te voeren om te bepalen hoe de geleidbaarheid van de koolstofstrook afhangt van de lengte en de energie van de elektronen. Zo leerden ze meer over hoe lading in de vorm van elektronen door de nanodraad wordt getransporteerd en hoe de geleidende sporen verbeterd kunnen worden voor mogelijke toepassingen in nano-elektronica.

Een draad kan bijna niet dunner zijn. Maar de recordbrekende afmetingen van grafeendraden bieden niet alleen nieuwe kansen, ze confronteren natuurkundigen ook met uitdagingen. Leonhard Grill en zijn collega's van het Fritz Haber Instituut in Berlijn van de Max Planck Society zijn deze uitdagingen nu aangegaan. Ze begonnen met het maken van een smal grafeenlint, het ontwerp is gebaseerd op hun eigen werk en dat van anderen. Ten eerste, ze verdampten moleculaire fragmenten van grafeenstrips op een oppervlak. De moleculen werden voorzien van chemische bindingen, zodat ze aanvankelijk een lange keten vormden en uiteindelijk een platte, stevig lint.

Een delicate aanraking is nodig om de geleiding van nanodraden te meten

Toen begonnen de onderzoekers in de groep van Leonhard Grill aan hun echte project:ze maten de geleidbaarheid van één individuele nanodraad als functie van zijn lengte. "Hierdoor kunnen we achterhalen hoe het ladingstransport in de grafeen-nanodraad werkt, " legt Leonhard Grill uit. Deze aanpak stelt de onderzoekers in de eerste plaats in staat om erachter te komen of hun nanodraad een perfecte geleider is waarvan de geleiding niet varieert met de lengte, zoals het geval zou zijn met een metalen nanodraad. De onderzoekers kwamen tot hun bevindingen in een lastig experiment:ze bepaalden de stroom door één individueel grafeenlint, die de punt van een scanning tunneling microscoop verbond met een gouden oppervlak, bij verschillende spanningen, dat zijn elektronenenergieën, en op verschillende afstanden.

Dit betekende dat ze in eerste instantie de nanodraad van het oppervlak moesten tillen. Dit is als het optillen van een stukje papier met een natte vinger, behalve dat het optillen van de nanodraad een oneindig veel delicatere aanraking vereist. "De draad zakt gemakkelijk weer naar beneden, vooral bij hogere spanningen tussen de punt en het gouden oppervlak, " legt Matthias Koch uit, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn promotiewerk. "Hoewel we nu wat trucjes hebben om de grafeenlinten met de punt vast te houden, we hebben nog veel pogingen nodig."

De rand van de grafeenstrook beïnvloedt het ladingstransport

Uit de metingen bleek dat de stroom door de grafeendraad niet met relatief lage weerstand liep zoals door een koperdraad. Integendeel, de elektronen stroomden door de draad door middel van een kwantummechanisch proces:ze tunnelden er doorheen. Alleen kwantumdeeltjes kunnen tunnelen, en dat doen ze altijd als een barrière die ze volgens de wetten van de klassieke fysica niet konden overwinnen, weerstand biedt. De deeltjes komen niettemin door de barrière alleen vanwege hun kwantumeigenschappen. Hoe groter de afstand die de elektronen moeten overbruggen, hoe minder er aan de andere kant komen. "De geleiding in een nanodraad hangt dus sterk af van de lengte, " zegt Matthias Koch. Bovendien, Er vloeit in het algemeen aanzienlijk minder stroom in het tunnelproces dan bij het ladingstransport in een conventionele geleider.

Ook lieten de wetenschappers voor het eerst zien hoe het ladingstransport afhangt van de elektronenenergie. Als ze de elektronenenergie zo selecteren dat deze overeenkomt met de energie van de moleculaire orbitalen, het ladingtransport verbetert direct. Orbitalen zijn de ruimtes in atomen en moleculen die elektronen, elk met een nauwkeurig gedefinieerde energie, bezetten. "Moleculaire orbitalen dienen als kanalen die zich over het hele molecuul uitstrekken en efficiënt ladingstransport mogelijk maken, ", zegt Leonhard Grill. "Als we buiten deze kanalen zijn, energetisch gesproken, dan wordt het ladingtransport drastisch beperkt." Dit gedrag wordt al enige tijd vermoed, maar de Berlijnse onderzoekers hebben het nu voor het eerst op een individueel molecuul aangetoond.

De grafeenlinten zijn daarom interessante onderzoeksobjecten voor de natuurkundigen, maar ze zijn nog niet erg geschikt voor toepassingen in de nano-elektronica. Hoe dan ook, een verdere bevinding uit hun experimenten wijst de Berlijnse onderzoekers in de richting van een perfecte nanodraad:de aard van het elektronentransport hangt af van hoe de rand van de strip wordt gevormd. De wetenschappers maken onderscheid tussen een zigzag- en een fauteuilstructuur. Bij de fauteuilstructuur zijn de koolstofatomen zo gerangschikt dat hun silhouet lijkt op een rij stoelen en armleuningen, terwijl ze met het zigzagpatroon een eenvoudig op en neer volgen.

De geleiding verandert als de draad gebogen is

Om ervoor te zorgen dat zo'n nanodraad echt perfect geleidt - ongeacht de moleculaire lengte - moeten de wetenschappers van het Fritz Haber Instituut ook hun experiment veranderen. Wanneer de punt van de scanning tunneling microscoop het grafeenlint van het gouden oppervlak tilt, de strook buigt lichtjes. Dit verandert de elektronische kenmerken, zoals water onbelemmerd door een rechte rivierbedding stroomt, maar ervaart sterke turbulentie rond smalle bochten. "We hebben aanwijzingen gezien dat we uitstekende geleiding kunnen waarnemen in een grafeenlint dat niet gebogen is, ", zegt Leonhard Grill.

De natuurkundigen willen daarom nu experimenten ontwerpen die geleidbaarheidsmetingen met rechte nanodraden mogelijk maken. Het simpelweg meten van een grafeenlint dat op een vlakke ondergrond ligt, levert niet meteen het gewenste resultaat op. "In een experimentele opstelling als deze, de geleidbaarheid van de carbonstrip wordt beïnvloed door het oppervlak waarop hij ligt, ", legt Leonhard Grill uit. Zijn groep zoekt daarom naar manieren om deze interacties te vermijden. de Berlijnse wetenschappers willen moleculaire draden met verschillende structuren en samenstellingen onderzoeken – altijd met het doel moleculen te laten rekenen, zoals Leonhard Grill uitlegt:"Het doel van ons werk is om een ​​fundamenteel inzicht te krijgen in de fysieke processen in dergelijke systemen om uiteindelijk niet alleen de perfecte nanodraad te vinden, maar ontwerp ook verdere elektronische componenten van individuele moleculen."