Naarmate onze apparaten kleiner en kleiner worden, wordt het gebruik van moleculen als de belangrijkste componenten in elektronische schakelingen steeds belangrijker. In de afgelopen 10 jaar hebben onderzoekers geprobeerd om afzonderlijke moleculen als geleidende draden te gebruiken vanwege hun kleinschaligheid, duidelijke elektronische kenmerken en hoge afstembaarheid. Maar in de meeste moleculaire draden neemt de efficiëntie waarmee elektronen over de draad worden overgedragen, exponentieel af naarmate de lengte van de draad toeneemt. Deze beperking maakte het bijzonder uitdagend om een ​​lange moleculaire draad te bouwen - een die veel langer is dan een nanometer - die elektriciteit goed geleidt.

Columbia-onderzoekers hebben vandaag aangekondigd dat ze een nanodraad hebben gebouwd die 2,6 nanometer lang is, een ongebruikelijke toename in geleiding vertoont naarmate de draadlengte toeneemt, en quasi-metalen eigenschappen heeft. De uitstekende geleidbaarheid is veelbelovend op het gebied van moleculaire elektronica, waardoor elektronische apparaten nog kleiner kunnen worden. De studie is vandaag gepubliceerd in Nature Chemistry .

Moleculaire draadontwerpen

Het team van onderzoekers van Columbia Engineering en Columbia's afdeling chemie, samen met theoretici uit Duitsland en synthetische chemici in China, onderzocht moleculaire draadontwerpen die ongepaarde elektronen aan beide uiteinden zouden ondersteunen, aangezien dergelijke draden eendimensionale analogen zouden vormen voor topologische isolatoren ( TI) die sterk geleidend zijn door hun randen maar isolerend in het midden.

Hoewel de eenvoudigste 1D TI is gemaakt van alleen koolstofatomen waarbij de eindkoolstofatomen de radicale toestanden ondersteunen - ongepaarde elektronen, zijn deze moleculen over het algemeen erg onstabiel. Koolstof houdt er niet van om ongepaarde elektronen te hebben. Het vervangen van de eindkoolstofatomen, waar de radicalen zijn, door stikstof verhoogt de stabiliteit van de moleculen. "Dit maakt 1D-TI's die zijn gemaakt met koolstofketens maar eindigen met stikstof veel stabieler en we kunnen hiermee werken bij kamertemperatuur onder omgevingsomstandigheden", zegt co-leider van het team, Latha Venkataraman, Lawrence Gussman hoogleraar toegepaste natuurkunde en hoogleraar scheikunde.

De regel voor exponentieel verval doorbreken

Door een combinatie van chemisch ontwerp en experimenten creëerde de groep een reeks eendimensionale TI's en brak met succes de exponentiële vervalregel, een formule voor het proces van een hoeveelheid die afneemt met een snelheid die evenredig is aan de huidige waarde. Met behulp van de twee radicale randtoestanden genereerden de onderzoekers een sterk geleidend pad door de moleculen en bereikten ze een "omgekeerd geleidingsverval", d.w.z. een systeem dat een toenemende geleiding vertoont met toenemende draadlengte.

"Wat echt opwindend is, is dat onze draad een geleiding had op dezelfde schaal als die van een gouden metaal-metaalpuntcontact, wat suggereert dat het molecuul zelf quasi-metallische eigenschappen vertoont," zei Venkataraman. "Dit werk toont aan dat organische moleculen zich als metalen kunnen gedragen op het niveau van één molecuul, in tegenstelling tot wat in het verleden was gedaan, waar ze voornamelijk zwak geleidend waren."

De onderzoekers ontwierpen en synthetiseerden een bis(triarylamines) moleculaire reeks, die eigenschappen vertoonde van een eendimensionale TI door chemische oxidatie. Ze voerden geleidingsmetingen uit van knooppunten van één molecuul waar moleculen waren aangesloten op zowel de source- als de drain-elektrode. Door de metingen toonde het team aan dat de langere moleculen een hogere geleiding hadden, wat werkte totdat de draad langer was dan 2,5 nanometer, de diameter van een streng menselijk DNA.

De basis leggen voor meer technologische vooruitgang in moleculaire elektronica

"Het Venkataraman-lab probeert altijd het samenspel van natuurkunde, scheikunde en engineering van elektronische apparaten met één molecuul te begrijpen", voegde Liang Li, een Ph.D. student in het lab, en een co-eerste auteur van het papier. "Dus het creëren van deze specifieke draden zal de basis leggen voor grote wetenschappelijke vooruitgang in het begrijpen van transport door deze nieuwe systemen. We zijn erg enthousiast over onze bevindingen omdat ze niet alleen licht werpen op fundamentele fysica, maar ook op mogelijke toepassingen in de toekomst."

De groep ontwikkelt momenteel nieuwe ontwerpen om moleculaire draden te bouwen die nog langer en nog steeds goed geleidend zijn. + Verder verkennen

Nieuwe moleculaire draden voor elektronische apparaten met één molecuul