Kleine elektronische circuits voeden ons dagelijks leven, van de kleine camera's in onze telefoons tot de microprocessors in onze computers. Om die apparaten nog kleiner te maken, wetenschappers en ingenieurs ontwerpen circuitcomponenten uit afzonderlijke moleculen. Niet alleen kunnen geminiaturiseerde circuits de voordelen bieden van een verhoogde apparaatdichtheid, snelheid, en energie-efficiëntie, bijvoorbeeld in flexibele elektronica of in gegevensopslag, maar het benutten van de fysieke eigenschappen van specifieke moleculen kan leiden tot apparaten met unieke functionaliteiten. Echter, het ontwikkelen van praktische nano-elektronische apparaten van afzonderlijke moleculen vereist nauwkeurige controle over het elektronische gedrag van die moleculen, en een betrouwbare methode om ze te fabriceren.

Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Natuur Elektronica , onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om een ​​eendimensionale array van individuele moleculen te fabriceren en om de elektronische structuur ervan nauwkeurig te controleren. Door zorgvuldig de spanning af te stemmen die wordt toegepast op een keten van moleculen die zijn ingebed in een eendimensionale koolstof (grafeen) laag, het team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ontdekte dat ze konden bepalen of alle, geen, of sommige van de moleculen dragen een elektrische lading. Het resulterende ladingspatroon zou dan langs de keten kunnen worden verschoven door individuele moleculen aan het einde van de keten te manipuleren.

"Als je elektrische apparaten gaat bouwen van individuele moleculen, je hebt moleculen nodig die een nuttige functionaliteit hebben en je moet uitzoeken hoe je ze in een bruikbaar patroon kunt rangschikken. We hebben beide dingen gedaan in dit werk, " zei Michael Crommie, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die het project leidde. Het onderzoek maakt deel uit van een door het Office of Science gefinancierd programma van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) over karakterisering van functionele nanomachines, wiens overkoepelende doel is om de elektrische en mechanische eigenschappen van moleculaire nanostructuren te begrijpen, en om nieuwe op moleculen gebaseerde nanomachines te creëren die in staat zijn om energie van de ene vorm naar de andere op nanoschaal om te zetten.

Het belangrijkste kenmerk van het fluorrijke molecuul dat door het Berkeley Lab-team is geselecteerd, is de sterke neiging om elektronen te accepteren. Om de elektronische eigenschappen van een nauwkeurig uitgelijnde keten van 15 van dergelijke moleculen die op een grafeensubstraat zijn afgezet te controleren, Crommie, die ook UC Berkeley hoogleraar natuurkunde is, en zijn collega's plaatsten een metalen elektrode onder het grafeen die er ook van werd gescheiden door een dunne isolerende laag. Het aanbrengen van een spanning tussen de moleculen en de elektrode drijft elektronen in of uit de moleculen. Op die manier, de door grafeen ondersteunde moleculen gedragen zich enigszins als een condensator, een elektrisch onderdeel dat in een circuit wordt gebruikt om lading op te slaan en af ​​te geven. Maar, in tegenstelling tot een "normale" macroscopische condensator, door de spanning op de onderste elektrode af te stemmen konden de onderzoekers bepalen welke moleculen geladen werden en welke neutraal bleven.

In eerdere studies van moleculaire assemblages, de elektronische eigenschappen van de moleculen konden niet zowel worden afgestemd als afgebeeld op atomaire lengteschalen. Zonder de extra beeldvormingscapaciteit kan de relatie tussen structuur en functie niet volledig worden begrepen in de context van elektrische apparaten. Door de moleculen in een speciaal ontworpen sjabloon op het grafeensubstraat te plaatsen dat is ontwikkeld in de Molecular Foundry-wetenschappelijke gebruikersfaciliteit van Berkeley Lab, Crommie en zijn collega's zorgden ervoor dat de moleculen volledig toegankelijk waren voor zowel microscoopobservatie als elektrische manipulatie.

Zoals verwacht, het aanbrengen van een sterke positieve spanning op de metalen elektrode onder het grafeen dat de moleculen ondersteunt, vulde ze met elektronen, waardoor de gehele moleculaire array in een negatief geladen toestand blijft. Door die spanning te verwijderen of om te keren, verlieten alle toegevoegde elektronen de moleculen, het terugbrengen van de gehele array naar een ladingsneutrale toestand. Bij een tussenspanning, echter, elektronen vullen alleen elk ander molecuul in de array, waardoor een "dambord" ladingspatroon ontstaat. Crommie en zijn team verklaren dit nieuwe gedrag door het feit dat elektronen elkaar afstoten. Als twee geladen moleculen tijdelijk aangrenzende plaatsen zouden bezetten, dan zou hun afstoting een van de elektronen wegduwen en het dwingen om zich een plaats verder in de moleculaire rij te vestigen.

"We kunnen alle moleculen leeg maken, of helemaal vol, of afwisselend. We noemen dat een collectief ladingspatroon omdat het wordt bepaald door elektron-elektron afstoting door de hele structuur. ' zei Crommie.

Berekeningen suggereerden dat in een array van moleculen met afwisselende ladingen het terminale molecuul in de array altijd één extra elektron zou moeten bevatten, aangezien dat molecuul geen tweede buur heeft om afstoting te veroorzaken. Om dit soort gedrag experimenteel te onderzoeken, het Berkeley Lab-team verwijderde het laatste molecuul in een reeks moleculen met afwisselende ladingen. Ze ontdekten dat het oorspronkelijke ladingspatroon met één molecuul was verschoven:plaatsen die waren geladen, werden neutraal en omgekeerd. De onderzoekers concludeerden dat voordat het geladen terminale molecuul werd verwijderd, het molecuul ernaast moet neutraal zijn geweest. In zijn nieuwe positie aan het einde van de array, het voorheen tweede molecuul werd toen geladen. Om het afwisselende patroon tussen geladen en ongeladen moleculen te behouden, het hele ladingspatroon moest één molecuul verschuiven.

Als de lading van elk molecuul wordt gezien als een beetje informatie, dan zorgt het verwijderen van het laatste molecuul ervoor dat het hele informatiepatroon met één positie verschuift. Dat gedrag bootst een elektronisch schuifregister in een digitaal circuit na en biedt nieuwe mogelijkheden voor het verzenden van informatie van het ene gebied van een moleculair apparaat naar het andere. Het verplaatsen van een molecuul aan het ene uiteinde van de array kan dienen als het aan- of uitzetten van een schakelaar ergens anders in het apparaat, die nuttige functionaliteit biedt voor een toekomstig logisch circuit.

"Een ding dat we echt interessant vonden aan dit resultaat, is dat we de elektronische lading en dus de eigenschappen van moleculen van heel ver weg konden veranderen. Dat niveau van controle is iets nieuws, ' zei Crommie.

Met hun moleculaire array bereikten de onderzoekers het doel om een ​​structuur te creëren die zeer specifieke functionaliteit heeft; dat is, een structuur waarvan de moleculaire ladingen nauwkeurig kunnen worden afgestemd tussen verschillende mogelijke toestanden door een spanning aan te leggen. Het veranderen van de lading van de moleculen veroorzaakt een verandering in hun elektronische gedrag en, als resultaat, in de functionaliteit van het hele apparaat. Dit werk kwam voort uit een DOE-inspanning om precieze moleculaire nanostructuren te construeren met een goed gedefinieerde elektromechanische functionaliteit.

De techniek van het Berkeley Lab-team voor het beheersen van moleculaire ladingspatronen zou kunnen leiden tot nieuwe ontwerpen voor elektronische componenten op nanoschaal, waaronder transistors en logische poorten. De techniek kan ook worden gegeneraliseerd naar andere materialen en worden opgenomen in complexere moleculaire netwerken. Een mogelijkheid is om de moleculen af ​​te stemmen om complexere ladingspatronen te creëren. Bijvoorbeeld, het vervangen van een atoom door een ander in een molecuul kan de eigenschappen van het molecuul veranderen. Het plaatsen van dergelijke gewijzigde moleculen in de array zou nieuwe functionaliteit kunnen creëren. Op basis van deze resultaten zijn de onderzoekers van plan om de functionaliteit te onderzoeken die voortkomt uit nieuwe variaties binnen moleculaire arrays, en hoe ze mogelijk kunnen worden gebruikt als kleine circuitcomponenten. uiteindelijk, ze zijn van plan om deze structuren op te nemen in meer praktische apparaten op nanoschaal.