Elektronen springen erop af op gedraaide moleculaire draden

Onderzoekers van Osaka University synthetiseerden gedraaide moleculaire draden van slechts één molecuul dik die elektriciteit kunnen geleiden met minder weerstand in vergelijking met eerdere apparaten. Dit werk kan leiden tot op koolstof gebaseerde elektronische apparaten die minder giftige materialen of agressieve verwerkingsmethoden vereisen.

Organische geleiders, materialen op koolstofbasis die elektriciteit kunnen geleiden, zijn een opwindende nieuwe technologie. In vergelijking met conventionele siliciumelektronica kunnen organische geleiders gemakkelijker worden gesynthetiseerd en zelfs in moleculaire draden worden verwerkt. Deze constructies hebben echter een verminderd elektrisch geleidingsvermogen, waardoor ze niet in consumentenapparaten kunnen worden gebruikt. Nu heeft een team van onderzoekers van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek en de Graduate School of Engineering Science aan de Universiteit van Osaka een nieuw soort moleculaire draad ontwikkeld, gemaakt van oligothiofeenmoleculen met periodieke wendingen die elektrische stroom kunnen dragen met minder weerstand.

Moleculaire draden zijn samengesteld uit lange moleculen op meerdere nanometerschaal die afwisselend enkele en dubbele chemische bindingen hebben. Orbitalen, die toestanden zijn die elektronen rond een atoom of molecuul kunnen bezetten, kunnen in de ruimte worden gelokaliseerd of uitgebreid. In dit geval overlappen de pi-orbitalen van individuele atomen elkaar om grote “eilanden” te vormen waar elektronen tussen kunnen springen. Omdat elektronen het meest efficiënt kunnen springen tussen niveaus die qua energie dicht bij elkaar liggen, kunnen fluctuaties in de polymeerketen energiebarrières creëren. “De mobiliteit van ladingen, en dus de algehele geleidbaarheid van de moleculaire draad, kan worden verbeterd als de ladingsmobiliteit kan worden verbeterd door dergelijke fluctuaties te onderdrukken”, zegt eerste auteur Yutaka Ie.

De overlap van pi-orbitalen is erg gevoelig voor de rotatie van het molecuul. Aangrenzende segmenten van het molecuul die in hetzelfde vlak zijn uitgelijnd, vormen een grote springplaats. Door opzettelijk wendingen aan de ketting toe te voegen, wordt het molecuul opgedeeld in plaatsen van nanometergrootte, maar omdat ze qua energie dichtbij zijn, kunnen de elektronen er gemakkelijk tussen springen. Dit werd tot stand gebracht door een 3,3′-dihexyl-2,2′-bithiofeeneenheid in te voegen na elk stuk van 6 of 8 oligothiofeeneenheden.

Het team ontdekte dat het creëren van kleinere eilanden die dichter bij de energie liggen, de geleidbaarheid maximaliseert. Ze maten ook hoe temperatuur de geleidbaarheid beïnvloedt, en toonden aan dat het inderdaad gebaseerd was op elektronenhoppen. “Ons werk is van toepassing op draden met één molecuul, maar ook op organische elektronica in het algemeen”, zegt senior auteur Yoshikazu Tada. Dit onderzoek kan leiden tot verbeteringen in de geleidbaarheid waardoor nanodraden kunnen worden opgenomen in een breed scala aan elektronica, zoals tablets of computers.