Ladingen lopen langs een moleculaire keten

Kleine elektronische schakelingen 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, ontwerpen wetenschappers en ingenieurs schakelingen uit afzonderlijke moleculen. Geminiaturiseerde schakelingen kunnen niet alleen de voordelen bieden van een grotere apparaatdichtheid, snelheid en energie-efficiëntie – bijvoorbeeld in flexibele elektronica of gegevensopslag – maar het benutten van de fysieke eigenschappen van specifieke moleculen zou kunnen leiden tot apparaten met unieke functionaliteiten. Het ontwikkelen van praktische nano-elektronische apparaten uit afzonderlijke moleculen vereist echter nauwkeurige controle over het elektronische gedrag van die moleculen en een betrouwbare methode om ze te fabriceren.

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

“Als je elektrische apparaten gaat bouwen uit individuele moleculen, heb je moleculen nodig met nuttige functionaliteit en moet je uitzoeken hoe je ze in een bruikbaar patroon kunt rangschikken. We hebben beide dingen in dit werk gedaan”, aldus Michael Crommie, een senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die het project leidde. Het onderzoek maakt deel uit van een door het Amerikaanse Department of Energy (DOE) door Office of Science gefinancierd programma voor karakterisering van functionele nanomachines, waarvan het 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 het omzetten van energie van de ene vorm naar de andere op nanoschaal.

De belangrijkste eigenschap 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 ketting van 15 van dergelijke moleculen die op een grafeensubstraat zijn afgezet te controleren, plaatsten Crommie, die ook een professor in natuurkunde aan UC Berkeley is, en zijn collega’s een metalen elektrode onder het grafeen die er ook van werd gescheiden door een dunne isolatielaag. Het aanleggen van een spanning tussen de moleculen en de elektrode drijft elektronen in of uit de moleculen. Op die manier gedragen de door grafeen ondersteunde moleculen zich enigszins als een condensator, een elektrische component die in een circuit wordt gebruikt om lading op te slaan en af ​​te geven. Maar in tegenstelling tot een “normale” macroscopische condensator, konden de onderzoekers door de spanning op de onderste elektrode af te stemmen bepalen welke moleculen geladen werden en welke neutraal bleven.

In eerdere studies van moleculaire assemblages konden de elektronische eigenschappen van de moleculen niet zowel worden afgestemd als afgebeeld op atomaire lengteschalen. Zonder de aanvullende 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-gebruikersfaciliteit op nanoschaal van Berkeley Lab, zorgden Crommie en zijn collega’s ervoor dat de moleculen volledig toegankelijk waren voor zowel microscoopobservatie als elektrische manipulatie.

Zoals verwacht, vulde het aanbrengen van een sterke positieve spanning op de metalen elektrode onder het grafeen dat de moleculen ondersteunde ze met elektronen, waardoor de hele moleculaire reeks in een negatief geladen toestand bleef. Door die spanning te verwijderen of om te keren, verlieten alle toegevoegde elektronen de moleculen, waardoor de hele array terugkeerde naar een ladingneutrale toestand. Bij een tussenliggende spanning vullen elektronen echter alleen elk ander molecuul in de array, waardoor een “schaakbord” -patroon van lading 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, zou hun afstoting een van de elektronen wegduwen en deze dwingen een plaats verder in de moleculaire rij te bezinken.

“We kunnen alle moleculen leeg maken van lading, of allemaal vol of afwisselend. We noemen dat een collectief ladingspatroon omdat het wordt bepaald door elektronen-elektronenafstoting door de hele structuur heen,” zei Crommie.

Berekeningen suggereerden dat in een array van moleculen met wisselende 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, verwijderde het Berkeley Lab-team het laatste molecuul in een reeks moleculen met wisselende ladingen. Ze ontdekten dat het oorspronkelijke ladingspatroon met één molecuul was verschoven: sites die waren geladen, werden neutraal en vice versa. De onderzoekers concludeerden dat voordat het geladen terminale molecuul werd verwijderd, het molecuul ernaast neutraal moet zijn geweest. Op zijn nieuwe positie aan het einde van de reeks werd het voorheen tweede molecuul geladen. Om het wisselende patroon tussen geladen en ongeladen moleculen te behouden, moest het hele ladingspatroon één molecuul verschuiven.

Als de lading van elk molecuul wordt gezien als een stukje informatie, zorgt het verwijderen van het uiteindelijke molecuul ervoor dat het hele informatiepatroon 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 zou kunnen dienen als het in- of uitschakelen van een schakelaar ergens anders in het apparaat, wat nuttige functionaliteit biedt voor een toekomstig logisch circuit.

“Een ding dat we erg interessant vonden aan dit resultaat, is dat we in staat waren om de elektronische lading en dus de eigenschappen van moleculen van heel ver weg te veranderen. Dat niveau van controle is iets nieuws”, zei Crommie.

Met hun moleculaire array bereikten de onderzoekers het doel om een ​​structuur te creëren met een zeer specifieke functionaliteit; dat wil zeggen, een structuur waarvan de moleculaire ladingen fijn 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 daarmee in de functionaliteit van het hele apparaat. Dit werk kwam voort uit een DOE-poging om precieze moleculaire nanostructuren te construeren die goed gedefinieerde elektromechanische functionaliteit hebben.

De techniek van het Berkeley Lab-team voor het regelen 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 meer complexe moleculaire netwerken. Een mogelijkheid is om de moleculen af ​​te stemmen om meer complexe ladingspatronen te creëren. Het vervangen van het ene atoom door een ander in een molecuul kan bijvoorbeeld de eigenschappen van het molecuul veranderen. Door dergelijke gewijzigde moleculen in de array te plaatsen, kan nieuwe functionaliteit ontstaan. Op basis van deze resultaten zijn de onderzoekers van plan om de functionaliteit te onderzoeken die voortkomt uit nieuwe variaties binnen moleculaire arrays, en ook hoe ze mogelijk kunnen worden gebruikt als kleine circuitcomponenten. Uiteindelijk zijn ze van plan deze structuren op te nemen in meer praktische apparaten op nanoschaal.