Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het National Physical Laboratory (NPL) en de Universiteit van Bern heeft een nieuwe manier onthuld om de functionaliteit van moleculaire elektronische apparaten van de volgende generatie met grafeen af ​​te stemmen. De resultaten kunnen worden benut om kleinere, krachtigere apparaten voor gebruik in een reeks toepassingen, waaronder moleculaire detectie, flexibele elektronica, en energieconversie en -opslag, evenals robuuste meetopstellingen voor weerstandsnormen.

Het gebied van moleculaire elektronica op nanoschaal heeft tot doel individuele moleculen te exploiteren als bouwstenen voor elektronische apparaten, om de functionaliteit te verbeteren en ontwikkelaars in staat te stellen een ongekend niveau van miniaturisatie en controle van apparaten te bereiken. Het belangrijkste obstakel dat vooruitgang op dit gebied belemmert, is de afwezigheid van stabiele contacten tussen de gebruikte moleculen en metalen die zowel bij kamertemperatuur kunnen werken als reproduceerbare resultaten kunnen opleveren.

Grafeen bezit niet alleen een uitstekende mechanische stabiliteit, maar ook uitzonderlijk hoge elektronische en thermische geleidende eigenschappen, waardoor het opkomende 2D-materiaal zeer aantrekkelijk is voor een reeks mogelijke toepassingen in moleculaire elektronica.

Een team van experimentatoren van de Universiteit van Bern en theoretici van NPL (VK) en de Universiteit van Baskenland (UPV/EHU, Spanje), met de hulp van medewerkers van de Chuo University (Japan), hebben de stabiliteit aangetoond van meerlagige, op grafeen gebaseerde moleculaire elektronische apparaten tot aan de limiet van één molecuul.

De bevindingen, gerapporteerd in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , vertegenwoordigen een grote stapsgewijze verandering in de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde moleculaire elektronica, waarbij de reproduceerbare eigenschappen van covalente contacten tussen moleculen en grafeen (zelfs bij kamertemperatuur) de beperkingen van de huidige state-of-the-art technologieën op basis van muntmetalen overwinnen.

Losse moleculen verbinden

Door adsorptie van specifieke moleculen op op grafeen gebaseerde elektronische apparaten kan de functionaliteit van het apparaat worden afgestemd, voornamelijk door de elektrische weerstand te wijzigen. Echter, het is moeilijk om algemene apparaateigenschappen te relateren aan de eigenschappen van de individuele geadsorbeerde moleculen, omdat gemiddelde hoeveelheden mogelijk grote variaties over het oppervlak van het grafeen niet kunnen identificeren.

Dr. Alexander Rudnev en Dr. Veerabhadrarao Kaliginedi, van de afdeling Scheikunde en Biochemie van de Universiteit van Bern, metingen uitgevoerd van de elektrische stroom die vloeit door enkele moleculen bevestigd aan grafiet- of meerlagige grafeenelektroden met behulp van een unieke geluidsarme experimentele techniek, waardoor ze deze variaties van molecuul tot molecuul konden oplossen.

Geleid door de theoretische berekeningen van Dr. Ivan Rungger (NPL) en Dr. Andrea Droghetti (UPV/EHU), ze toonden aan dat variaties op het grafietoppervlak erg klein zijn en dat de aard van het chemische contact van een molecuul met de bovenste grafeenlaag de functionaliteit van elektronische apparaten met één molecuul dicteert.

"We ontdekken dat door het chemische contact van moleculen met op grafeen gebaseerde materialen zorgvuldig te ontwerpen, we kunnen hun functionaliteit afstemmen, " zei Dr Rungger. "Onze single-molecule diodes toonden aan dat de rectificatierichting van elektrische stroom inderdaad kan worden geschakeld door de aard van het chemische contact van elk molecuul te veranderen, " voegde Dr Rudnev eraan toe.

"We zijn ervan overtuigd dat onze bevindingen een belangrijke stap zijn in de richting van de praktische exploitatie van moleculaire elektronische apparaten, en we verwachten een significante verandering in de richting van het onderzoeksveld na ons pad van stabiele chemische binding bij kamertemperatuur, " vatte Dr. Kaliginedi samen.

De bevindingen zullen ook onderzoekers helpen die werken aan elektrokatalyse en energieconversie-onderzoek om grafeen / molecuul-interfaces in hun experimentele systemen te ontwerpen om de efficiëntie van de katalysator of het apparaat te verbeteren.