Wetenschap
Onderzoekers van Berkeley Lab en Columbia University hebben 's werelds best presterende single-molecule diode gemaakt met behulp van een combinatie van gouden elektroden en een ionische oplossing. Krediet:Latha Venkataraman, Universiteit van Columbia
Een team van onderzoekers van Berkeley Lab en Columbia University heeft een belangrijke mijlpaal in moleculaire elektronica bereikt met de creatie van 's werelds best presterende single-molecule diode. Werken bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, het team gebruikte een combinatie van gouden elektroden en een ionische oplossing om een diode met één molecuul te creëren die het beste van zijn voorgangers met een factor 50 overtreft.
"Met behulp van een enkel symmetrisch molecuul, een ionische oplossing en twee gouden elektroden met dramatisch verschillende blootgestelde oppervlakken, we waren in staat om een diode te maken die resulteerde in een rectificatieverhouding, de verhouding van voorwaartse naar achterwaartse stroom bij vaste spanning, meer dan 200, wat een record is voor apparaten met één molecuul, " zegt Jeff Neaton, directeur van de Moleculaire Gieterij, een senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de afdeling Natuurkunde aan de University of California Berkeley, en lid van het Kavli Energy Nanoscience Institute in Berkeley (Kavli ENSI).
"De asymmetrie die nodig is voor diodegedrag komt voort uit de verschillende blootgestelde elektrodegebieden en de ionische oplossing, " zegt hij. "Dit leidt tot verschillende elektrostatische omgevingen rond de twee elektroden en superlatief apparaatgedrag met één molecuul."
Met "kleiner en sneller" als het mantra van de elektronica-industrie, apparaten met één molecuul vertegenwoordigen de ultieme limiet in elektronische miniaturisatie. 1974, moleculaire elektronica-pioniers Mark Ratner en Arieh Aviram theoretiseerden dat een asymmetrisch molecuul zou kunnen werken als een gelijkrichter, een eenrichtingsgeleider van elektrische stroom. Vanaf dat moment, de ontwikkeling van functionele elektronische apparaten met één molecuul is een belangrijk streven geweest, waarbij diodes - een van de meest gebruikte elektronische componenten - bovenaan de lijst staan.
Een typische diode bestaat uit een silicium pn-overgang tussen een paar elektroden (anode en kathode) die dienst doet als de "klep" van een elektrisch circuit, het richten van de stroomstroom door deze slechts in één "voorwaartse" richting te laten passeren. De asymmetrie van een pn-overgang geeft de elektronen een "aan/uit" transportomgeving. Wetenschappers hebben eerder diodes met één molecuul gemaakt, hetzij door de chemische synthese van speciale asymmetrische moleculen die analoog zijn aan een pn-overgang; of door het gebruik van symmetrische moleculen met verschillende metalen als de twee elektroden. Echter, de resulterende asymmetrische knooppunten leverden lage rectificatieverhoudingen op, en lage voorwaartse stroom. Neaton en zijn collega's van Columbia University hebben een manier ontdekt om beide tekortkomingen aan te pakken.
"Elektronenstroom op moleculaire lengteschalen wordt gedomineerd door kwantumtunneling, Neaton legt uit. "De efficiëntie van het tunnelproces hangt nauw af van de mate van afstemming van de discrete energieniveaus van het molecuul op het continue spectrum van de elektrode. In een moleculaire gelijkrichter, deze uitlijning is verbeterd voor positieve spanning, leidt tot een toename van tunneling, en wordt verminderd voor negatieve spanning. Bij de Molecular Foundry hebben we een aanpak ontwikkeld om de uitlijning op energieniveau en de kans op tunneling in verbindingen met één molecuul nauwkeurig te berekenen. Dankzij deze methode konden ikzelf en Zhenfei Liu het gedrag van de diode kwantitatief begrijpen."
In samenwerking met Latha Venkataraman en Luis Campos van Columbia University en hun respectievelijke onderzoeksgroepen, Neaton en Liu vervaardigden een hoogpresterende gelijkrichter van knooppunten gemaakt van symmetrische moleculen met moleculaire resonantie in bijna perfecte uitlijning met de Fermi-elektronenenergieniveaus van de gouden elektroden. De symmetrie werd verbroken door een aanzienlijk verschil in de grootte van het gebied op elke goudelektrode die was blootgesteld aan de ionische oplossing. Vanwege het asymmetrische elektrodegebied, de ionische oplossing, en de uitlijning van het energieniveau van de junctie, een positieve spanning verhoogt de stroom aanzienlijk; een negatieve spanning onderdrukt het even aanzienlijk.
Schema van de moleculaire junctie gemaakt met behulp van asymmetrische oppervlakte-elektroden die als een diode functioneren, waardoor de stroom maar in één richting kan stromen. Krediet:met dank aan Berkeley Lab en Columbia University
"De ionische oplossing, gecombineerd met de asymmetrie in elektrodegebieden, stelt ons in staat om de elektrostatische omgeving van de kruising te regelen door simpelweg de polariteit van de bias te veranderen, ", zegt Neaton. "Naast het doorbreken van de symmetrie, dubbele lagen gevormd door ionische oplossing genereren ook dipoolverschillen bij de twee elektroden, wat de onderliggende reden is achter de asymmetrische verschuiving van moleculaire resonantie. De experimenten van de Columbia-groep toonden aan dat met dezelfde opstelling van moleculen en elektrodes, een niet-ionische oplossing levert helemaal geen rectificatie op."
Het Berkeley Lab-Columbia University-team is van mening dat hun nieuwe benadering van een diode met één molecuul een algemene route biedt voor het afstemmen van niet-lineaire apparaatfenomenen op nanoschaal die kunnen worden toegepast op systemen voorbij enkelvoudige molecuulverbindingen en apparaten met twee terminals.
"We verwachten dat het begrip dat uit dit werk is verkregen, van toepassing zal zijn op ionische vloeistofgating in andere contexten, en mechanismen die moeten worden gegeneraliseerd naar apparaten die zijn vervaardigd uit tweedimensionale materialen, ", zegt Neaton. "Buiten apparaten, deze kleine moleculaire circuits zijn petrischalen voor het onthullen en ontwerpen van nieuwe routes om op te laden en energie te laten stromen op nanoschaal. Wat voor mij opwindend is aan dit vakgebied is het multidisciplinaire karakter - de behoefte aan zowel natuurkunde als scheikunde - en de sterke gunstige koppeling tussen experiment en theorie.
"Met het toenemende niveau van experimentele controle op het niveau van één molecuul, en verbeteringen in theoretisch begrip en rekensnelheid en nauwkeurigheid, we zijn nog maar op het topje van de ijsberg met wat we kunnen begrijpen en controleren op deze kleine lengteschalen."
Netton, Venkataraman en Campos zijn de corresponderende auteurs van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in Natuur Nanotechnologie . Het document is getiteld "Single-molecule diodes met hoge rectificatieratio's door middel van milieucontrole." Andere co-auteurs zijn Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma Dell, Zhen Fei Liu en Jeffrey Taylor.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com