science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

IBM-wetenschappers meten de energieniveaus van afzonderlijke moleculen op isolatoren

Dichtheidsfunctionaaltheorie-analyse van naftalocyanine op NaCl (5 ML). 2D-contourgrafiek van het berekende verschil in ladingsdichtheid tussen NPc+ en NPc0 naar buiten toe geïntegreerd vanuit het moleculaire geo+ geo+ vlak naar het vacuümgebied. Krediet:natuur nanotechnologie

Ons begrip van elektronica met één molecuul is duidelijker geworden en het antwoord was het gebruik van een gewoon huishoudelijk artikel - zout.

Voortbouwend op een eerdere paper in 2009, waar IBM-wetenschappers en medewerkers het vermogen aantoonden om de ladingstoestand van individuele atomen te meten met behulp van contactloze atoomkrachtmicroscopie (AFM), ze zijn nu een stap verder gegaan, het meten van energieniveaus van afzonderlijke moleculen op isolatoren, Voor de eerste keer. Het onderzoek verschijnt vandaag in het peer-review tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Uitgevonden in het midden van de jaren 80, de atoomkrachtmicroscoop meet kleine krachten tussen de punt en het monster, zoals een molecuul op een drager. De tip is een multifunctionele, nauwkeurig instrument, die moleculen met een ongekende resolutie kan afbeelden en zelfs nooit eerder vertoonde moleculaire reacties kan veroorzaken.

Elektronica schalen

Als je ooit een elektronisch apparaat hebt opengebroken, zoals een pc of zelfs een digitale wekker, je zou hebben ontdekt wat bekend staat als een printplaat (PCB). Deze typisch groene borden zien eruit als kaarten die alle elektronische componenten van het apparaat tonen, inclusief, zogenaamde geleidende sporen. Deze sporen voeren elektrische stroom, zoals spoorbanen, over het hele bord, zodat het apparaat kan werken. De platen bevatten ook isolerende lagen die de sporen beschermen tegen stroomlekkage. Zonder deze lagen, zelfs kleine elektronische apparaten zouden meer energie nodig hebben om te werken.

Krediet:IBM Research

Bij het evalueren van de basisbouwstenen van diezelfde pc of klok, maar in moleculaire elektronica, we zouden een vergelijkbare opstelling zien met enkele moleculen als geleidende sporen en enkele elektronen die van de moleculen worden overgedragen. Terwijl de isolerende laag nuttig is op de PCB, de gelijkaardige onderliggende isolerende ondergrond, op deze schaal, heeft nog andere effecten waarmee rekening moet worden gehouden.

"Terwijl een molecuul op een isolator wordt geladen, de atomen in het molecuul zullen ontspannen om deze extra lading op te vangen en net zo belangrijk, net als de kernen in de isolator. Omdat het molecuul bovenop een isolator zit, elektronische karakterisering van een dergelijk systeem is erg moeilijk." zei Shadi Fatayer, een pre-doc bij IBM Research en de eerste auteur van het artikel.

Hij voegt toe, "Deze verandering in de positie van de atomen heeft invloed op hun energieniveaus, wat drastische effecten heeft op het overbrengen van een enkel elektron tussen moleculen. De overdrachtssnelheid van elektronen zou kunnen worden afgestemd om verschillende ordes van grootte te variëren."

Het team van wetenschappers van IBM, Universiteit van Liverpool, Chalmers University en University of Regensburg probeerden een andere benadering om dit probleem aan te pakken.

Krediet:IBM Research

Ze kweekten eerst meerdere lagen NaCl, ook bekend als natriumchloride of zout, dienen als isolatiemateriaal, bovenop een metalen ondergrond. Een dergelijk systeem zorgt ervoor dat de moleculen die bovenop worden geabsorbeerd hun ladingstoestand stabiel hebben en ontkoppeld van het metaaloppervlak.

Vervolgens, het team dacht:"Hoe meten we reorganisatie-energieën?" Experimenteel, het wordt gedaan met moleculen in oplossing, met moleculen bovenop een metaal, maar tot nu toe, er was geen techniek waarmee individuele moleculen bovenop een isolator konden worden onderzocht.

Hun unieke aanpak bestaat uit het gebruik van de AFM en enkele elektronen. Enkele elektronen worden gebruikt om ladingstoestandovergangen van twee gedefinieerde ladingstoestanden in beide richtingen te onderzoeken. In het experiment testen de wetenschappers hun methode op een enkel naftalocyaninemolecuul.

Zoals eerder gepubliceerd, de auteurs wisten dat ze de AFM op betrouwbare wijze konden gebruiken om verschillende ladingstoestanden te meten bovenop een ultradunne isolator met gevoeligheid voor één elektron. Ze demonstreerden onlangs ook beeldvorming van stabiel geladen moleculen en het overbrengen van enkele elektronen tussen moleculen bovenop een dikkere isolator. Echter, het vermogen om reorganisatie-energieën te meten vereist het meten van de energieniveaus die overeenkomen met bepaalde overgangen van ladingstoestanden.

Shadi Fatayer, een pre-doc bij IBM Research en de eerste auteur van het artikel. Krediet:IBM Research

"Voorafgaand aan dit werk, we wisten hoe we de elektrische stroom door het molecuul moesten meten. Echter, dit werkte slechts in één richting voor een bepaalde orbitaal. Toen we de energie konden meten om een ​​elektron aan een bepaalde orbitaal te hechten, we zouden nooit de energie kunnen meten om één elektron uit die orbitaal te verwijderen en vice versa. Het vermogen om in beide richtingen te meten – dit ontbrak, " zei IBM-natuurkundige Leo Gross. "Met onze AFM-methode, we meten de energieniveaus in beide richtingen van verandering van de ladingstoestand op een dunne-filmsubstraat. Maar het is ongelooflijk veeleisend werk dat zich bezighoudt met zeer zwakke signalen, wat betekent dat er veel zorgvuldige metingen nodig zijn om een ​​goede statistische analyse uit te voeren."

Hij voegt toe, "Door deze nieuwe methode te gebruiken, we gebruiken de punt en de kracht die op de punt wordt uitgeoefend om afzonderlijke elektronen te tellen. We passen de hoogte en het voltage van de tip aan en tellen dan hoe lang het duurt voordat het ene elektron naar (of van) de tip gaat en daaruit kun je de energieniveaus halen."

"Onze grootste uitdaging was te wijten aan het feit dat de tip verder weg was dan normaal om tunnelinggebeurtenissen op de juiste manier te meten, " voegt Fatayer toe. "De zeer zwakke krachten die we hebben gemeten, associëren met stromen in de zepto Ampere-schaal - dat is 10 tot de min 21 (10 -21 ). De meeste natuurkundigen hoeven dit voorvoegsel nooit te gebruiken, maar we doen het door elke paar seconden een elektron te meten. We gebruiken de AFM letterlijk als een enkele elektron stroommeter."

Hoewel dit zeer fundamenteel onderzoek is, de toepassingen strekken zich uit van elektronische apparaten, bijvoorbeeld voor het karakteriseren van defecten in chips, tot fotovoltaïsche en organische halfgeleiders.