De geleidbaarheid van grafeen heeft het tot een doelwit gemaakt voor veel onderzoekers die het willen exploiteren om apparaten op moleculaire schaal te maken en nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van de University of Warwick en EMPA een manier gevonden om een ​​frustrerende catch 22-kwestie van stabiliteit en reproduceerbaarheid te omzeilen die betekende dat op grafeen gebaseerde knooppunten ofwel mechanisch stabiel of elektrisch stabiel waren, maar niet beide tegelijkertijd.

Grafeen en grafeenachtige moleculen zijn een aantrekkelijke keuze als elektronische component in moleculaire apparaten, maar tot nu toe is het een grote uitdaging gebleken om ze te gebruiken in grootschalige productie van moleculaire apparaten die zullen werken en robuust zijn bij kamertemperatuur. In een gezamenlijke inspanning hebben onderzoeksteams van de Universiteit van Warwick, De universiteiten van EMPA en Lancaster en Bern hebben zowel elektrische als mechanische stabiliteit bereikt in op grafeen gebaseerde verbindingen die miljoenen keer kleiner zijn dan de diameter van mensenhaar. Ze hebben vandaag hun bevindingen gepubliceerd in een paper met de titel "Robuust grafeen-gebaseerde moleculaire apparaten" in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Eenvoudige mechanisch stabiele structuren zoals grafeenachtige moleculen zijn gemakkelijk te produceren door chemische synthese, maar op deze zeer kleine schaal zijn deze onderhevig aan een reeks limieten wanneer ze in een junctie worden geplaatst om een ​​elektronisch apparaat te vormen, zoals variaties in de molecuul-elektrode-interface. De onderzoekers overwinnen deze limieten door de vereisten voor mechanische en elektronische stabiliteit op moleculair niveau te scheiden.

Ze produceerden een elektrisch effectieve structuur door een grafeenachtige molecuulstapel te bouwen om een ​​elektronenpad te vormen door de grafeenachtige moleculen P-orbitalen (dit zijn haltervormige elektronenwolken waarin een elektron kan worden gevonden, binnen een zekere mate van waarschijnlijkheid) Dit zou nieuwe wegen openen om fascinerende moleculaire eigenschappen te gebruiken, zoals kwantuminterferentie die op zo'n kleine schaal optreedt, mits een voldoende mechanische robuuste structuur wordt bereikt. Voor deze, het onderzoeksteam creëerde ook bindingen tussen elk molecuul en een siliciumoxidesubstraat. Dit gaf de structuur een aanzienlijke mechanische stabiliteit door de grafeenachtige molecuulstapel effectief aan het substraat te verankeren met behulp van een silanisatiereactie. Dit wordt geïllustreerd in het vereenvoudigde schema bij dit persbericht.

Dr. Hatef Sadeghi van de University of Warwick's School of Engineering, die de theoretische modellering van dit werk leidde, zei:

"Deze methode stelde ons in staat om op grafeen gebaseerde moleculaire apparaten te ontwerpen en te produceren die elektronisch en mechanisch stabiel zijn over een groot temperatuurbereik. Dit werd bereikt door de mechanische verankering te ontkoppelen van de elektronische paden door een covalente binding van de moleculen aan het substraat te combineren en grote π-geconjugeerde kopgroepen.

"De knooppunten waren reproduceerbaar over verschillende apparaten en werkten van 20 Kelvin tot kamertemperatuur. Onze aanpak vertegenwoordigt een eenvoudige maar krachtige strategie voor de toekomstige integratie van op moleculen gebaseerde functies in stabiele en controleerbare nano-elektronische apparaten."