Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en de Universiteit van Tsukuba tonen aan dat polymeren een sleutelrol kunnen spelen bij de fabricage van elektronische apparaten met één molecuul, waardoor we de grenzen van de nano-elektronica-revolutie kunnen verleggen.

Een van de meest opvallende aspecten van de elektronische apparaten die we tegenwoordig hebben, is hun grootte en de grootte van hun componenten. De grenzen verleggen van hoe klein een elektronische component kan worden gemaakt, is een van de belangrijkste onderzoeksonderwerpen op het gebied van elektronica over de hele wereld, en om goede redenen. Bijvoorbeeld, de nauwkeurige manipulatie van ongelooflijk kleine stromen met behulp van nano-elektronica zou ons in staat kunnen stellen niet alleen de huidige beperkingen van elektronica te verbeteren, maar geef ze ook nieuwe functionaliteiten.

Dus, hoe ver gaat het konijnenhol op het gebied van miniaturisatie? Een onderzoeksteam onder leiding van Tomoaki Nishino, Universitair hoofddocent van de School of Science aan het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) onderzoekt de diepten hiervan; met andere woorden, ze werken aan apparaten met één molecuul. "De ultieme miniaturisatie zal naar verwachting worden gerealiseerd door moleculaire elektronica, waarbij een enkel molecuul wordt gebruikt als een functioneel element, " legt Nishino uit.

Echter, zoals men zou verwachten, het maken van elektronische componenten uit een enkel molecuul is geen gemakkelijke taak. Functionele apparaten die uit een enkel molecuul bestaan, zijn moeilijk te fabriceren. Verder, de knooppunten (punten van "elektrisch contact") waarbij ze betrokken zijn, hebben een korte levensduur, wat hun toepassing moeilijk maakt. Op basis van eerdere werken, het onderzoeksteam concludeerde dat een lange keten van monomeren (enkele moleculen) om polymeren te vormen betere resultaten zou opleveren dan kleinere moleculen. Om dit idee te demonstreren, ze gebruikten een techniek genaamd scanning tunneling microscopie (STM), waarin een metalen punt dat eindigt in een enkel atoom wordt gebruikt om extreem kleine stromen en hun fluctuaties te meten die optreden wanneer de punt een verbinding maakt met een atoom of atomen op het doeloppervlak. Via STM, het team creëerde knooppunten bestaande uit de punt en ofwel een polymeer genaamd poly(vinylpyridine) of zijn monomeer tegenhanger, riep 4, 4'-trimethyleendipyridine, die kan worden beschouwd als een van de componenten van het polymeer. Door de geleidende eigenschappen van deze juncties te meten, de onderzoekers probeerden te bewijzen dat polymeren nuttig zouden kunnen zijn voor het fabriceren van apparaten met één molecuul.

Echter, om hun analyses uit te voeren, het team moest eerst een algoritme bedenken waarmee ze hoeveelheden die voor hen van belang waren, konden extraheren uit de huidige signalen die door de STM werden gemeten. Kortom, hun algoritme stelde hen in staat om automatisch kleine plateaus in het huidige signaal te detecteren en te tellen, gemeten in de tijd vanaf de punt en het doeloppervlak; de plateaus gaven aan dat er een stabiele geleidende verbinding werd gecreëerd tussen de punt en een enkel molecuul op het oppervlak.

Met behulp van deze aanpak, het onderzoeksteam analyseerde de resultaten die werden verkregen voor de verbindingen die waren gemaakt met het polymeer en zijn monomeer-tegenhanger. Ze ontdekten dat het polymeer veel betere eigenschappen opleverde als elektronische component dan het monomeer. "Kans op knooppuntvorming, een van de belangrijkste eigenschappen voor toekomstige praktische toepassingen, was veel hoger voor de polymeerverbinding, " stelt Nishino. Bovendien, de levensduur van deze knooppunten bleek hoger te zijn, en de stroom die door de polymeerknooppunten vloeide, was stabieler en voorspelbaarder (met minder afwijking) dan die voor de monomere knooppunten.

De resultaten gepresenteerd door het onderzoeksteam onthullen het potentieel van polymeren als bouwstenen voor miniaturisatie van elektronica in de toekomst. Zijn zij de sleutel om de grenzen van de haalbare fysieke grenzen te verleggen? Hopelijk, de tijd zal het snel leren.