W nowym badaniu Nature Communications badacze z Columbia Engineering donoszą, że zbudowali wysoce przewodzące, przestrajalne urządzenia jednocząsteczkowe, w których cząsteczka jest przyłączana do przewodów za pomocą bezpośrednich styków metal-metal. Ich nowatorskie podejście wykorzystuje światło do kontrolowania właściwości elektronicznych urządzeń i otwiera drzwi do szerszego zastosowania styków metal-metal, które mogłyby ułatwić transport elektronów w urządzeniu jednocząsteczkowym.
Wyzwanie
Ponieważ urządzenia stale się kurczą, ich komponenty elektroniczne również muszą zostać zminiaturyzowane. Urządzenia jednocząsteczkowe, które wykorzystują cząsteczki organiczne jako kanały przewodzące, mogą potencjalnie stawić czoła wyzwaniom związanym z miniaturyzacją i funkcjonalizacją tradycyjnych półprzewodników. Urządzenia takie oferują ekscytującą możliwość sterowania zewnętrznego za pomocą światła, ale jak dotąd badaczom nie udało się tego wykazać.
„Dzięki tej pracy otworzyliśmy nowy wymiar elektroniki molekularnej, w którym światło można wykorzystać do kontrolowania sposobu wiązania cząsteczki w szczelinie między dwiema metalowymi elektrodami” – powiedziała Latha Venkataraman, pionierka elektroniki molekularnej i profesor Lawrence Gussman Fizyki Stosowanej i profesor chemii w Columbia Engineering. „To jak przełączenie przełącznika w nanoskali, otwierające wszelkiego rodzaju możliwości projektowania inteligentniejszych i wydajniejszych komponentów elektronicznych”.
Podejście
Grupa Venkataramana od prawie dwudziestu lat bada podstawowe właściwości urządzeń jednocząsteczkowych, badając wzajemne oddziaływanie fizyki, chemii i inżynierii w skali nanometrowej. Jej głównym celem jest budowanie obwodów jednocząsteczkowych, cząsteczek przymocowanych do dwóch elektrod, o zróżnicowanej funkcjonalności, gdzie struktura obwodu jest zdefiniowana z atomową precyzją.
Jej grupa, a także osoby tworzące funkcjonalne urządzenia z grafenem, dwuwymiarowym materiałem na bazie węgla, wiedziały, że wykonanie dobrych styków elektrycznych pomiędzy metalowymi elektrodami a układami węglowymi jest dużym wyzwaniem. Jednym z rozwiązań byłoby wykorzystanie cząsteczek metaloorganicznych i opracowanie metod łączenia przewodów elektrycznych z atomami metali w cząsteczce. Aby osiągnąć ten cel, postanowiono zbadać zastosowanie organometalicznych cząsteczek ferrocenu zawierających żelazo, które są również uważane za maleńkie elementy składowe w świecie nanotechnologii. Podobnie jak elementy LEGO można układać w stosy, tworząc złożone struktury, tak cząsteczki ferrocenu można wykorzystać jako klocki do budowy ultramałych urządzeń elektronicznych. Zespół wykorzystał cząsteczkę zakończoną grupą ferrocenową zawierającą dwa pierścienie cyklopentadienylowe na bazie węgla, które otaczają atom żelaza. Następnie wykorzystali światło, aby wykorzystać właściwości elektrochemiczne cząsteczek na bazie ferrocenu w celu utworzenia bezpośredniego wiązania między centrum ferrocenu żelaza a złotą elektrodą (Au), gdy cząsteczka znajdowała się w stanie utlenionym (tj. gdy atom żelaza stracił jeden elektron ). W tym stanie odkryli, że ferrocen może wiązać się ze złotymi elektrodami używanymi do łączenia cząsteczki z obwodami zewnętrznymi. Technicznie rzecz biorąc, utlenianie ferrocenu umożliwiło wiązanie Au0 z centrum Fe3+.
„Wykorzystując utlenianie indukowane światłem, znaleźliśmy sposób na manipulowanie tymi maleńkimi cegiełkami w temperaturze pokojowej, otwierając drzwi do przyszłości, w której światło będzie można wykorzystać do kontrolowania zachowania urządzeń elektronicznych na poziomie molekularnym” – powiedział kierownik badania autor Woojung Lee, który jest doktorantem w laboratorium Venkararamana.
Potencjalny wpływ
Nowe podejście Venkataraman umożliwi jej zespołowi poszerzenie typów chemii zakończeń molekularnych (kontaktów), które można wykorzystać do tworzenia urządzeń jednocząsteczkowych. Badanie to pokazuje również możliwość włączania i wyłączania tego kontaktu za pomocą światła do zmiany stopnia utlenienia ferrocenu, demonstrując jednocząsteczkowe urządzenie na bazie ferrocenu z możliwością przełączania światła. Urządzenia sterowane światłem mogą utorować drogę do rozwoju czujników i przełączników reagujących na określone długości fal światła, oferując bardziej wszechstronne i wydajne komponenty dla szerokiego zakresu technologii.
Drużyna
Praca ta była wspólnym wysiłkiem obejmującym syntezę, pomiary i obliczenia. Syntezy dokonał głównie w Kolumbii Michael Inkpen, który był post-doktorem w grupie Venkataraman, a obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie Południowej Kalifornii. Wszystkie pomiary zostały wykonane przez Woojunga Lee, absolwenta grupy Venkataraman. Obliczenia wykonali zarówno doktoranci z grupy Venkataraman, jak i współpracownicy z Uniwersytetu w Regensburgu w Niemczech.
Co dalej
Naukowcy badają obecnie praktyczne zastosowania urządzeń jednocząsteczkowych sterowanych światłem. Może to obejmować optymalizację wydajności urządzeń, badanie ich zachowania w różnych warunkach środowiskowych i udoskonalanie dodatkowych funkcji dostępnych dzięki interfejsowi metal-metal.