Een internationaal team van natuurkundigen heeft een scanning tunneling microscoop gebruikt om een ​​minuscule transistor te maken die bestaat uit een enkel molecuul en een klein aantal atomen. De waargenomen werking van de transistor verschilt aanzienlijk van het conventioneel verwachte gedrag en kan belangrijk zijn voor toekomstige apparaattechnologieën en voor fundamentele studies van elektronentransport in moleculaire nanostructuren. De natuurkundigen vertegenwoordigen het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) en de Freie Universität Berlin (FUB), Duitsland, de NTT Basisonderzoekslaboratoria (NTT-BRL), Japan, en het U.S. Naval Research Laboratory (NRL). Hun volledige bevindingen zijn gepubliceerd in het nummer van 13 juli 2015 van het tijdschrift Natuurfysica .

Transistors hebben een kanaalgebied tussen twee externe contacten en een elektrische poortelektrode om de stroom door het kanaal te moduleren. In transistors op atomaire schaal, deze stroom is extreem gevoelig voor het springen van afzonderlijke elektronen via discrete energieniveaus. In eerdere onderzoeken is onderzoekers hebben single-electron transport in moleculaire transistoren onderzocht met behulp van top-down benaderingen, zoals lithografie en break junctions. Maar atomair nauwkeurige controle van de poort - die cruciaal is voor transistoractie op de kleinste schalen - is met deze benaderingen niet mogelijk.

Het team gebruikte een zeer stabiele scanning tunneling microscoop (STM) om een ​​transistor te creëren die bestaat uit een enkel organisch molecuul en positief geladen metaalatomen. plaats ze met de STM-tip op het oppervlak van een indiumarsenide (InAs) kristal. Dr. Kiyoshi Kanisawa, een natuurkundige bij NTT-BRL, gebruikte de groeitechniek van moleculaire bundelepitaxie om dit oppervlak voor te bereiden. Vervolgens, de STM-benadering stelde de onderzoekers in staat om elektrische poorten van de +1 geladen atomen met atomaire precisie samen te stellen en vervolgens het molecuul op verschillende gewenste posities dicht bij de poorten te plaatsen. Dr. Stefan Fölsch, een fysicus bij de PDI die het team leidde, legde uit dat "het molecuul slechts zwak is gebonden aan de InAs-sjabloon. Dus, wanneer we de STM-tip heel dicht bij het molecuul brengen en een voorspanning op de punt-monsterovergang toepassen, enkele elektronen kunnen tunnelen tussen sjabloon en punt door te springen via vrijwel onverstoorde moleculaire orbitalen, vergelijkbaar met het werkingsprincipe van een kwantumdot die wordt gepoort door een externe elektrode. In ons geval, de geladen atomen in de buurt zorgen voor de elektrostatische poortpotentiaal die de elektronenstroom en de ladingstoestand van het molecuul regelt."

Maar er is een wezenlijk verschil tussen een conventionele kwantumpunt van halfgeleiders - die typisch honderden of duizenden atomen omvat - en het huidige geval van een aan het oppervlak gebonden molecuul. Dr. Steven Erwin, een fysicus in het Centre for Computational Materials Science bij NRL en expert in dichtheids-functionele theorie, wees erop dat, "het molecuul neemt verschillende rotatie-oriëntaties aan, afhankelijk van de laadstatus. We voorspelden dit op basis van eerste-principe berekeningen en bevestigden het door het molecuul in beeld te brengen met de STM."

Deze koppeling tussen lading en oriëntatie heeft een dramatisch effect op de elektronenstroom door het molecuul, gemanifesteerd door een grote geleidingskloof bij lage voorspanningen. Dr. Piet Brouwer, een natuurkundige bij FUB en expert in kwantumtransporttheorie, zei, "Dit intrigerende gedrag gaat verder dan het gevestigde beeld van ladingstransport door een gated quantum dot. In plaats daarvan, we hebben een generiek model ontwikkeld dat rekening houdt met de gekoppelde elektronische en oriëntatiedynamiek van het molecuul." Dit eenvoudige en fysiek transparante model reproduceert volledig de experimenteel waargenomen transistorkarakteristieken van één molecuul.

De perfectie en reproduceerbaarheid die deze STM-gegenereerde transistors bieden, zullen onderzoekers in staat stellen elementaire processen te onderzoeken waarbij stroom door afzonderlijke moleculen op een fundamenteel niveau gaat. Het begrijpen en beheersen van deze processen - en de nieuwe soorten gedrag waartoe ze kunnen leiden - zal belangrijk zijn voor de integratie van op moleculen gebaseerde apparaten met bestaande halfgeleidertechnologieën.