Team ontwikkelt methode voor controle over fotoschakeling van afzonderlijke moleculen

Wetenschappers van de afdeling Fysische Chemie van het Fritz Haber Instituut hebben een innovatieve ontdekking gedaan in nanoschaalopto-elektronica. De studie, gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie en getiteld “Atomic-Precision Control of Plasmon-Induced Single-Molecule Switching in a Metal–Semiconductor Nanojunction,” introduceert een methode om ongekende controle te krijgen over single-molecule photoswitching. Deze doorbraak zou de toekomst van nano-device technologie kunnen transformeren.

Nanoscale opto-elektronica is een snelgroeiend vakgebied dat zich richt op de ontwikkeling van elektronische en fotonische apparaten op nanometerschaal. Deze kleine apparaten hebben het potentieel om technologie te revolutioneren, waardoor componenten sneller, kleiner en energiezuiniger worden.

Het bereiken van nauwkeurige controle over fotoreacties op atomair niveau is cruciaal voor het miniaturiseren en optimaliseren van deze apparaten. Gelokaliseerde oppervlakteplasmonen (LSP’s), lichtgolven die worden gegenereerd op nanoschaaloppervlakken van materialen, zijn krachtige hulpmiddelen geworden in dit domein, die elektromagnetische velden kunnen beperken en versterken. Tot nu toe was de toepassing van LSP’s voornamelijk beperkt tot metalen structuren, waarvan het team voorspelde dat ze de miniaturisering van opto-elektronica zouden kunnen beperken.

Verder dan nanoschaal: atomaire precisiecontrole van fotoschakeling

Het nieuwe onderzoek richt zich op het gebruik van LSP’s om chemische reacties op atomair niveau te controleren. Een team heeft de functionaliteit van LSP’s succesvol uitgebreid naar halfgeleiderplatforms. Door een plasmonresonante tip te gebruiken in een scanning tunnelingmicroscoop met lage temperatuur, maakten ze de omkeerbare lift-up en drop-down van afzonderlijke organische moleculen op een siliciumoppervlak mogelijk.

De LSP aan de punt induceert het breken en vormen van specifieke chemische bindingen tussen het molecuul en silicium, wat resulteert in de reversibele omschakeling. De omschakelingssnelheid kan worden afgestemd door de puntpositie met uitzonderlijke precisie tot 0,01 nanometer. Deze precieze manipulatie maakt reversibele veranderingen tussen twee verschillende moleculaire configuraties mogelijk.

Een ander belangrijk aspect van deze doorbraak is de afstembaarheid van de opto-elektronische functie door middel van moleculaire modificatie op atomair niveau. Het team bevestigde dat fotoswitching wordt geremd voor een ander organisch molecuul, waarbij slechts één zuurstofatoom dat niet aan silicium bindt, wordt vervangen door een stikstofatoom. Deze chemische afstemming is essentieel voor het afstemmen van de eigenschappen van opto-elektronische apparaten met één molecuul, waardoor het ontwerp van componenten met specifieke functionaliteiten mogelijk wordt en de weg wordt vrijgemaakt voor efficiëntere en aanpasbare nano-opto-elektronische systemen.

Toekomstige richtingen

Dit onderzoek pakt een kritieke horde aan in de vooruitgang van nanoschaalapparaten door een methode te bieden om de dynamiek van reacties van afzonderlijke moleculen nauwkeurig te regelen. Bovendien suggereren de bevindingen dat metaal-enkele molecule-halfgeleider nanojuncties kunnen dienen als veelzijdige platforms voor nano-opto-elektronica van de volgende generatie.

Dit zou een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van sensoren, lichtgevende diodes en fotovoltaïsche cellen mogelijk kunnen maken. De nauwkeurige manipulatie van afzonderlijke moleculen onder licht zou een aanzienlijke impact kunnen hebben op de ontwikkeling van deze technologieën, wat zou zorgen voor bredere mogelijkheden en flexibiliteit in het ontwerp van apparaten.