Een experimenteel onderzoek van Monash University heeft een zelf-geassembleerde, op koolstof gebaseerde nanofilm waarbij de ladingstoestand (dwz elektronisch neutraal of positief) kan worden gecontroleerd op het niveau van individuele moleculen, op een lengteschaal van ongeveer een nanometer.

De atomair dunne nanofilm bestaat uit een geordende tweedimensionale (2-D) reeks moleculen die zich gedragen als "nuldimensionale" entiteiten die quantum dots (QD's) worden genoemd.

Dit systeem heeft opwindende implicaties voor gebieden zoals computergeheugen, lichtgevende apparaten en kwantumcomputers.

De studie van de School of Physics and Astronomy toont aan dat een uit één component bestaande, zelf-geassembleerde 2D-array van het organische (op koolstof gebaseerde) molecuul dicyaanantraceen kan worden gesynthetiseerd op een metaal, zodanig dat de ladingstoestand van elk molecuul afzonderlijk kan worden geregeld via een aangelegd elektrisch veld.

"Deze ontdekking zou de fabricage van 2D-arrays van individueel adresseerbare (schakelbare) kwantumdots van onderaf mogelijk maken, door zelfmontage, zegt hoofdauteur Dhaneesh Kumar.

"We zouden in staat zijn om dichtheden te bereiken die tientallen keren groter zijn dan state-of-the-art, top-down gesynthetiseerde anorganische systemen."

Quantum dots:klein, "zero-dimensionale" krachtpatsers

Quantum dots zijn extreem klein - ongeveer een nanometer breed (dwz een miljoenste van een millimeter).

Omdat hun grootte vergelijkbaar is met de golflengte van elektronen, hun elektronische eigenschappen zijn radicaal verschillend van conventionele materialen.

In kwantumstippen, de beweging van elektronen wordt beperkt door deze extreem kleine schaal, resulterend in discrete elektronische kwantumenergieniveaus.

Effectief, ze gedragen zich als "nul-dimensionale" (0D) objecten, waarbij de bezettingsgraad (gevuld of leeg) van hun gekwantiseerde elektronische toestanden de lading bepaalt (in deze studie, neutraal of negatief) van de kwantumstip.

Geordende arrays van ladingsbestuurbare kwantumdots kunnen zowel in het computergeheugen als in lichtemitterende apparaten (bijv. energiezuinige tv- of smartphoneschermen).

Arrays van kwantumstippen worden conventioneel gesynthetiseerd uit anorganische materialen via top-down fabricagebenaderingen. Echter, met behulp van dergelijke "top-down" benaderingen, het kan een uitdaging zijn om arrays met grote dichtheden en hoge homogeniteit te bereiken (in termen van kwantumdotgrootte en afstand).

Vanwege hun afstembaarheid en zelfassemblerend vermogen, het gebruik van organische (op koolstof gebaseerde) moleculen als bouwstenen van nanoformaat kan bijzonder nuttig zijn voor de fabricage van functionele nanomaterialen, in het bijzonder goed gedefinieerde schaalbare ensembles van kwantumstippen.

De studie

De onderzoekers synthetiseerden een homogeen, een-component, zelf-geassembleerde 2-D array van het organische molecuul dicyanoanthraceen (DCA) op een metalen oppervlak.

De studie werd geleid door de Faculteit Wetenschappen van de Monash University, met ondersteuning door theorie van de Monash Faculty of Engineering.

Deze structurele en elektronische eigenschappen op atomaire schaal van deze array op nanoschaal werden experimenteel bestudeerd via lage-temperatuur scanning tunneling microscopie (STM) en atomaire krachtmicroscopie (AFM) (School of Physics and Astronomy, onder Dr. Agustin Schiffrin). Theoretische studies met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie ondersteunden de experimentele bevindingen (Department of Material Science and Engineering, onder A/Prof Nikhil Medhekar).

De onderzoekers ontdekten dat de lading van individuele DCA-moleculen in de zelf-geassembleerde 2D-array kan worden gecontroleerd (geschakeld van neutraal naar negatief en vice versa) door een aangelegd elektrisch veld. Deze elektrische veldcontrole van de ladingstoestand wordt mogelijk gemaakt door een effectieve tunnelbarrière tussen molecuul en oppervlak (als gevolg van beperkte metaal-adsorbaat-interacties) en een significante DCA-elektronenaffiniteit.

Subtiel, plaatsafhankelijke variaties van de moleculaire adsorptiegeometrie bleken aanleiding te geven tot significante variaties in de gevoeligheid voor door elektrische velden geïnduceerde oplading.

"Elektrische veldcontrole van moleculaire ladingstoestand in een 2-D organische nanoarray met één component" werd gepubliceerd in ACS Nano .