Een belangrijk doel op het gebied van moleculaire elektronica, die tot doel heeft afzonderlijke moleculen als elektronische componenten te gebruiken, is om een ​​apparaat te maken waarbij een gekwantiseerde, regelbare stroom van lading kan worden bereikt bij kamertemperatuur. Een eerste stap op dit gebied is voor onderzoekers om aan te tonen dat afzonderlijke moleculen kunnen functioneren als reproduceerbare circuitelementen zoals transistors of diodes die gemakkelijk kunnen werken bij kamertemperatuur.

Een team onder leiding van Latha Venkataraman, hoogleraar toegepaste natuurkunde en scheikunde aan Columbia Engineering en Xavier Roy, universitair docent scheikunde (Arts &Sciences), een studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie dat is de eerste die op reproduceerbare wijze de huidige blokkade aantoont - het vermogen om een ​​apparaat van de isolerende naar de geleidende toestand te schakelen waarbij lading één voor één wordt toegevoegd en verwijderd - met behulp van atomair nauwkeurige moleculaire clusters bij kamertemperatuur.

Bonnie Choi, een afgestudeerde student in de Roy-groep en mede-hoofdauteur van het werk, creëerde een enkele cluster van geometrisch geordende atomen met een anorganische kern gemaakt van slechts 14 atomen - wat resulteert in een diameter van ongeveer 0,5 nanometer - en plaatste linkers die de kern met twee gouden elektroden verbonden, ongeveer zoals een weerstand wordt gesoldeerd aan twee metalen elektroden om een ​​macroscopisch elektrisch circuit te vormen (bijvoorbeeld de gloeidraad in een gloeilamp).

De onderzoekers gebruikten een scanning tunneling microscooptechniek die ze hebben ontwikkeld om juncties te maken die bestaan ​​uit een enkele cluster die is verbonden met de twee gouden elektroden, waardoor ze de elektrische respons konden karakteriseren terwijl ze de aangelegde voorspanning varieerden. De techniek stelt hen in staat duizenden knooppunten met reproduceerbare transportkarakteristieken te fabriceren en te meten.

"We ontdekten dat deze clusters heel goed kunnen presteren als diodes op nanoschaal op kamertemperatuur, waarvan we de elektrische respons kunnen aanpassen door hun chemische samenstelling te veranderen, " zegt Venkataraman. "Theoretisch, een enkel atoom is de kleinste limiet, maar apparaten met één atoom kunnen niet bij kamertemperatuur worden gefabriceerd en gestabiliseerd. Met deze moleculaire clusters, we hebben volledige controle over hun structuur met atomaire precisie en kunnen de elementaire samenstelling en structuur op een controleerbare manier veranderen om een ​​bepaalde elektrische respons op te wekken."

Een aantal studies hebben kwantumstippen gebruikt om vergelijkbare effecten te produceren, maar omdat de stippen veel groter en niet uniform van grootte zijn, vanwege de aard van hun synthese, de resultaten zijn niet reproduceerbaar - niet elk apparaat dat met kwantumstippen is gemaakt, gedroeg zich op dezelfde manier. Het Venkataraman-Roy-team werkte met kleinere anorganische moleculaire clusters die identiek waren in vorm en grootte, dus ze wisten precies - tot op atomaire schaal - wat ze aan het meten waren.

"De meeste andere onderzoeken creëerden apparaten met één molecuul die functioneerden als transistors met één elektron op vier graden Kelvin, maar voor elke toepassing in de echte wereld, deze apparaten moeten bij kamertemperatuur werken. En die van ons wel, " zegt Giacomo Lovat, een postdoctoraal onderzoeker en co-hoofdauteur van het artikel. "We hebben een transistor op moleculaire schaal gebouwd met meerdere toestanden en functionaliteiten, waarin we controle hebben over de precieze hoeveelheid lading die er doorheen stroomt. Het is fascinerend om te zien dat simpele chemische veranderingen binnen een molecuul, kan een diepgaande invloed hebben op de elektronische structuur van moleculen, wat leidt tot verschillende elektrische eigenschappen."

Het team evalueerde de prestaties van de diode aan de hand van de aan/uit-verhouding, dat is de verhouding tussen de stroom die door het apparaat vloeit wanneer het is ingeschakeld en de reststroom die nog steeds aanwezig is in de "uit"-toestand. Op kamertemperatuur, ze observeerden een aan / uit-verhouding van ongeveer 600 in knooppunten met één cluster, hoger dan alle andere apparaten met één molecuul die tot nu toe zijn gemeten. Bijzonder interessant was het feit dat deze knooppunten werden gekenmerkt door een "sequentiële" wijze van ladingsstroom; elk elektron dat door een clusterovergang ging, stopte een tijdje op het cluster. Gebruikelijk, in knooppunten van kleine moleculen, elektronen die door de junctie "geduwd" worden door de toegepaste bias maken de sprong continu, van de ene elektrode naar de andere, zodat het aantal elektronen op het molecuul op elk moment niet goed gedefinieerd is.

"We zeggen dat het cluster 'geladen' wordt sinds, voor een korte tijdsinterval voordat het transiterende elektron in de andere metalen elektrode springt, het slaat één extra lading op, "zegt Roy. "Zulke opeenvolgende, of discreet, geleidingsmodus is te wijten aan de eigenaardige elektronische structuur van het cluster die elektronen opsluit in sterk gelokaliseerde orbitalen. Deze orbitalen verklaren ook het waargenomen 'huidige blokkade'-regime wanneer een lage voorspanning wordt toegepast op een clusterovergang. De stroom daalt tot een zeer kleine waarde bij lage spanning, omdat elektronen in het metaalcontact niet genoeg energie hebben om een ​​van de clusterorbitalen te bezetten. Naarmate de spanning wordt verhoogd, de eerste clusterorbitaal die energetisch toegankelijk wordt, opent een levensvatbare route voor elektronen die nu op en van de cluster kunnen springen, resulterend in opeenvolgende 'opladen' en 'ontladen' gebeurtenissen. De blokkade wordt opgeheven, en stroom begint over de kruising te stromen."

De onderzoekers hebben de clusters op maat gemaakt om de impact van samenstellingsverandering op de elektrische respons van de clusters te onderzoeken en zijn van plan voort te bouwen op hun eerste onderzoek. Ze zullen verbeterde clustersystemen ontwerpen met betere elektrische prestaties (bijv. hogere aan/uit stroomverhouding, verschillende toegankelijke toestanden), en het aantal atomen in de clusterkern te vergroten met behoud van de atomaire precisie en uniformiteit van de verbinding. Dit zou het aantal energieniveaus verhogen, elk corresponderend met een bepaalde elektronenbaan waartoe ze toegang hebben met hun spanningsvenster. Het verhogen van de energieniveaus zou de aan/uit-verhouding van het apparaat beïnvloeden, misschien ook het verminderen van het vermogen dat nodig is om het apparaat in te schakelen als er meer energieniveaus beschikbaar komen voor doorvoer van elektronen bij lage voorspanningen.

"De meeste transportonderzoeken met één molecuul zijn uitgevoerd op eenvoudige organische moleculen omdat ze gemakkelijker zijn om mee te werken, " merkt Venkataraman op. "Onze gezamenlijke inspanning hier via het Columbia Nano Initiative slaat een brug tussen scheikunde en natuurkunde, waardoor we kunnen experimenteren met nieuwe verbindingen, zoals deze moleculaire clusters, dat is misschien niet alleen synthetisch uitdagender, maar ook interessanter als elektrische componenten."