Naarmate apparaten kleiner en kleiner worden, wetenschappers lopen tegen grenzen aan hoe klein je op een haalbare manier een circuit kan bouwen met bulkmaterialen. Moleculaire circuits bieden een mogelijke oplossing om deze groottebeperkingen te overwinnen, en hebben geleid tot een groeiend veld waarin chemie en elektronica worden samengevoegd.

Een studie van hoofdauteur Timothy A. Su en een team van Columbia University rapporteren de eerste in zijn soort single-molecule switch met twee verschillende geleidbaarheidsfasen die gebaseerd is op de twee stereo-isomeren van het molecuul. Hun werk verscheen in Natuurchemie .

Geleidbaarheid is gebaseerd op de beweging van elektronen. Metalen zijn zeer geleidend omdat elektronen gemakkelijk door het materiaal gaan. Niet-metalen moleculen, zoals alkanen, zijn ook geleidend, maar hebben een lagere geleidbaarheid dan metalen omdat elektronen niet zo gemakkelijk door het sigma-bindingsnetwerk reizen. Echter, deze niet-metalen met lange keten zijn aantrekkelijk voor moleculaire circuits vanwege hun synthetische en geometrische veelzijdigheid. Oligosilanen bieden een betere optie voor elektronenmobiliteit vanwege verhoogde sigma-delokalisatie langs de Si-Si-bindingen, terwijl ook de synthetische en geometrische veelzijdigheid behouden blijft die alkanen aantrekkelijk maakt.

Su et al. verschillende silanen (permethyloligosilanen) getest met methylthiomethylsubstituenten aan beide uiteinden van het oligosilaanmolecuul. Ze testten de geleiding van [SiMe ₂ ] _N waarbij n staat voor één tot tien permethylsilanen. Geleiding werd getest met behulp van scanning tunneling microscoop break junction, vergelijkbaar met het bevestigen van de terminale methylthiolmethyls aan goudelektroden van moleculair formaat, zodat het molecuul een Au-[SiMe] ₂ ] _N -Au mode. Geleiding werd gemeten ten opzichte van de lengte van het oligosilaan en ten opzichte van de afstand tussen de gouden STM-tip en elektrode, of omdat het oligosilaan systematisch tussen de twee gouden oppervlakken werd geëxpandeerd en samengedrukt.

Resultaten van het testen van de verschillende lengtes van oligosilanen toonden een verminderde geleidbaarheid naarmate de lengte van het molecuul toeneemt. Dit "lengteafhankelijke geleidingsverval" is een verwachte eigenschap van niet-metalen met een lange keten en is waargenomen in alkanen, ook.

Echter, in tegenstelling tot alkanen, in alle oligosilanen was er een abrupte verandering van laag naar hoog geleidingsvermogen naarmate de afstand tussen de elektroden groter werd. Je zou verwachten dat de geleidbaarheid afneemt naarmate de afstand tussen de gouden punt en de elektrode groter wordt. Aanvullend, deze abrupte verandering was met een factor twee voor alle oligosilanen, ongeacht de lengte van de siliciumketen. De lengte van het lage geleidingsplateau nam toe naarmate de lengte van oligosilaan toenam, maar de lengte van het hoge geleidingsplateau was hetzelfde voor alle moleculen, gaf aan dat deze toestand het gevolg was van een gemeenschappelijk kenmerk in alle moleculen en niet gerelateerd was aan de lengte van de oligosilaanketen.

Dit duidelijk twee-toestandsgeleidbaarheidskenmerk was waarschijnlijk te wijten aan de terminale tweevlakshoeken gevormd door de Au-S-C-Si-bindingen, aangezien dit kenmerk voor alle moleculen hetzelfde was. Om te bevestigen dat de verandering in geleiding het gevolg was van stereo-elektronische effecten, Su et al. voerde DFT-analyse uit om de laagste energieconformatie van hun oligosilaan op verschillende afstanden tussen twee goudatomen te bepalen. Ze gebruikten [Au-Si(4)-Au] ²⁺ structuur als hun testmolecuul om de elektronische effecten van het STM-systeem na te bootsen. Voor dit experiment is ze begonnen met goudatomen op een afstand die tweevlakshoeken zou opleveren in een anti-conformatie zonder beperking en vergrootten de afstand tussen de goudatomen met stappen van 0,25 Angstrom.

Ze ontdekten dat de afstand tussen de goudatomen een cruciale rol speelt in de moleculaire conformatie en dus op de geleidbaarheid van het oligosilaan. Tijdens de lage geleidbaarheidstoestand, de Me-S-binding is antiperiplanair (Au-S-binding staat loodrecht) op de methylsilaanbinding, of in een anti conformatie. Bij de overgang naar hoge geleidbaarheid, de Me-S-binding staat loodrecht (Au-S-binding is antiperiplanair) op de methylsilaanbinding, of in een ortho-conformatie.

De anti-conformatie overwint sterische spanning, maar de ortho-conformatie overwint de mechanische belasting van elektrodescheiding. De anti-conformatie heeft Au-S-orbitalen die loodrecht staan ​​op het vlak van de Si-Si-bindingen, het belemmeren van elektronentunneling door het molecuul, terwijl de ortho-conformatie Au-S-orbitalen heeft die op hetzelfde vlak zijn uitgelijnd als de Si-Si-bindingen, waardoor een grotere elektronenmobiliteit door het sigma-bindingsnetwerk mogelijk is.

Elektrochemisch schakelen vindt plaats op een specifieke Au-Au-afstand voor elk van de oligosilanen, en geleidingsveranderingen in realtime ten opzichte van de afstand. Verder, de moleculaire schakelaar heeft twee discrete geleidingstoestanden, in tegenstelling tot een derde overgangstoestand. Hoewel er een punt is waarop de ene terminale tweevlaksbinding in een ortho-conformatie is en de andere in een anti-conformatie, de geleiding blijft in de lage toestand totdat beide bindingen in de ortho-conformatie zijn, waardoor dit een echte binaire schakelaar is op basis van stereo-elektronische effecten.

© 2015 Fys.org