Onder leiding van Latha Venkataraman, universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde aan Columbia Engineering, onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontworpen om een ​​diode met één molecuul te maken, en, daarbij, ze hebben moleculaire diodes ontwikkeld die 50 keer beter presteren dan alle eerdere ontwerpen. De groep van Venkataraman is de eerste die een diode met één molecuul ontwikkelt die mogelijk technologische toepassingen in de echte wereld heeft voor apparaten op nanoschaal. hun papier, "Single-Molecule Diodes met hoge aan-uit-verhoudingen door middel van omgevingscontrole, " is gepubliceerd op 25 mei in Natuur Nanotechnologie .

"Onze nieuwe aanpak creëerde een diode met één molecuul met een hoge (> 250) rectificatie en een hoge "aan" stroom (~ 0,1 micro Ampère), ", zegt Venkataraman. "Het bouwen van een apparaat waarbij de actieve elementen slechts een enkel molecuul zijn, is al lang een verleidelijke droom in de nanowetenschap. Het doel, die de 'heilige graal' van moleculaire elektronica is sinds het begin met het baanbrekende artikel van Aviram en Ratner uit 1974, vertegenwoordigt de ultieme functionele miniaturisatie die kan worden bereikt voor een elektronisch apparaat."

Nu elektronische apparaten elke dag kleiner worden, het gebied van moleculaire elektronica is steeds belangrijker geworden bij het oplossen van het probleem van verdere miniaturisatie, en enkele moleculen vertegenwoordigen de limiet van miniaturisatie. Het idee om een ​​diode met één molecuul te maken, werd gesuggereerd door Arieh Aviram en Mark Ratner, die in 1974 theoretiseerden dat een molecuul als een gelijkrichter zou kunnen werken, een eenrichtingsgeleider van elektrische stroom. Sindsdien hebben onderzoekers de ladingstransporteigenschappen van moleculen onderzocht. Ze hebben aangetoond dat enkelvoudige moleculen die aan metalen elektroden zijn bevestigd (juncties met één molecuul) kunnen worden gemaakt om als een verscheidenheid aan circuitelementen te fungeren, inclusief weerstanden, schakelaars, transistoren, en, inderdaad, dioden. Ze hebben geleerd dat het mogelijk is om kwantummechanische effecten te zien, zoals interferentie, manifesteren zich in de geleidingseigenschappen van moleculaire verbindingen.

Aangezien een diode fungeert als een elektriciteitsklep, de structuur moet asymmetrisch zijn, zodat elektriciteit die in de ene richting stroomt, een andere omgeving ervaart dan elektriciteit die in de andere richting stroomt. Om een ​​diode met één molecuul te ontwikkelen, onderzoekers hebben eenvoudig moleculen ontworpen die asymmetrische structuren hebben.

"Hoewel zulke asymmetrische moleculen inderdaad enkele diode-achtige eigenschappen vertonen, ze zijn niet effectief, " legt Brian Capozzi uit, een promovendus die samenwerkt met Venkataraman en hoofdauteur van het artikel. "Een goed ontworpen diode zou alleen stroom in één richting moeten laten stromen - de 'aan'-richting - en er zou veel stroom in die richting moeten kunnen stromen. Asymmetrische moleculaire ontwerpen hebben doorgaans last van een zeer lage stroomstroom in beide ' aan' en 'uit' richtingen, en de verhouding van de stroom in de twee is typisch laag. Ideaal, de verhouding van 'aan' stroom tot 'uit' stroom, de rectificatieverhouding, moet heel hoog zijn."

Om de problemen in verband met asymmetrisch moleculair ontwerp te overwinnen, Venkataraman en haar collega's - de groep van scheikundeassistent-professor Luis Campos in Columbia en de groep van Jeffrey Neaton bij de Molecular Foundry van UC Berkeley - richtten zich op het ontwikkelen van een asymmetrie in de omgeving rond de moleculaire kruising. Ze creëerden een omgevingsasymmetrie door middel van een vrij eenvoudige methode:ze omringden het actieve molecuul met een ionische oplossing en gebruikten goudmetaalelektroden van verschillende groottes om contact te maken met het molecuul.

Hun resultaten bereikten rectificatieverhoudingen die zo hoog waren als 250:50 keer hoger dan eerdere ontwerpen. De "aan" stroom in hun apparaten kan meer dan 0,1 microampère zijn, die, Venkataraman merkt op, is veel stroom om door een enkel molecuul te gaan. En, omdat deze nieuwe techniek zo gemakkelijk te implementeren is, het kan worden toegepast op alle apparaten op nanoschaal van alle soorten, inclusief die zijn gemaakt met grafeenelektroden.

"Het is geweldig om een ​​moleculair circuit te kunnen ontwerpen, met behulp van concepten uit de scheikunde en natuurkunde, en laat het iets functioneels doen, " zegt Venkataraman. "De lengteschaal is zo klein dat kwantummechanische effecten absoluut een cruciaal aspect van het apparaat zijn. Het is dus echt een triomf om iets te kunnen creëren dat je fysiek nooit zult kunnen zien en dat zich gedraagt ​​zoals bedoeld."

Zij en haar team werken nu aan het begrijpen van de fundamentele fysica achter hun ontdekking, en proberen de rectificatieratio's die ze hebben waargenomen te vergroten, met behulp van nieuwe moleculaire systemen.