Elektronische componenten die zijn opgebouwd uit afzonderlijke moleculen met behulp van chemische synthese, kunnen de weg vrijmaken voor kleinere, snellere en groenere en duurzamere elektronische apparaten. Nu voor het eerst, een transistor gemaakt van slechts één moleculaire monolaag is gemaakt om te werken waar het er echt toe doet. Op een computerchip.

De moleculaire geïntegreerde schakeling is gemaakt door een groep scheikundigen en natuurkundigen van het Department of Chemistry Nano-Science Center van de Universiteit van Kopenhagen en de Chinese Academie van Wetenschappen, Peking. Hun ontdekking "Ultrathin Reduced Graphene Oxide Films as Transparent Top-Contacts for Light Switchable Solid-State Molecular Junctions" is zojuist online gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Geavanceerde materialen . De doorbraak werd mogelijk gemaakt door een innovatief gebruik van het tweedimensionale koolstofmateriaal grafeen.

Eerste stap naar geïntegreerde moleculaire schakeling

Kasper Nørgaard is universitair hoofddocent scheikunde aan de Universiteit van Kopenhagen. Hij gelooft dat het eerste voordeel van de nieuw ontwikkelde grafeenchip zal zijn om het testen van toekomstige moleculaire elektronische componenten te vergemakkelijken. Maar hij is ook overtuigd, dat het een eerste stap is in de richting van goede geïntegreerde moleculaire circuits.

"Grafeen heeft een aantal zeer interessante eigenschappen, die door geen enkel ander materiaal kan worden geëvenaard. Wat we hebben laten zien is dat het mogelijk is om een ​​functionele component op een grafeenchip te integreren. Ik heb echt het gevoel dat dit voorpaginanieuws is", zegt Nørgaard.

De moleculaire computerchip is een sandwich gebouwd met één laag goud, een van moleculaire componenten en een van het extreem dunne koolstofmateriaal grafeen. De moleculaire transistor in de sandwich is ingeschakeld en gebruikt een lichtimpuls, dus een van de bijzondere eigenschappen van grafeen is zeer nuttig. Ook al is grafeen gemaakt van koolstof, het is bijna volledig doorschijnend.

De jacht op transistors, draden, contacten en andere elektronische componenten gemaakt van enkele moleculen heeft onderzoekers dag en nacht laten werken. In tegenstelling tot traditionele componenten wordt verwacht dat ze geen zware metalen en zeldzame aardelementen nodig hebben. Ze zouden dus goedkoper en minder schadelijk voor de aarde moeten zijn, water en dieren. Helaas was het verschrikkelijk moeilijk om te testen hoe goed deze functionele moleculen werken. Tot nu.

Voorheen moesten onderzoekers bij het testen van de microscopische componenten hun toevlucht nemen tot een methode die het beste te vergelijken was met een loterij. Om te controleren of een nieuw geslagen molecuul een stroom zou geleiden of breken, ze moesten praktisch een beker vol moleculen tussen twee stroomdraden dumpen, in de hoop dat er tenminste één molecuul was geland zodat het het circuit sloot.

Loterijmethode verdrongen door precisieplaatsing

Met behulp van de nieuwe grafeenchip kunnen onderzoekers hun moleculen nu met grote precisie plaatsen. Dit maakt het sneller en gemakkelijker om de functionaliteit van moleculaire draden te testen, contacten en diodes zodat scheikundigen in een mum van tijd weten of ze terug naar hun bekers moeten om nieuwe functionele moleculen te ontwikkelen, legt Nørgaard uit.

"We hebben een ontwerp gemaakt, dat zal veel verschillende soorten moleculen bevatten", zegt hij en gaat verder:"Omdat de grafeensteiger dichter bij het echte chipontwerp ligt, maakt het het gemakkelijker om componenten te testen, maar het is natuurlijk ook een stap op weg naar het maken van een echte geïntegreerde schakeling met moleculaire componenten. En we mogen niet uit het oog verliezen dat moleculaire componenten wel degelijk in een geïntegreerde schakeling terecht moeten komen, als ze in het echte leven enig nut zullen hebben".