Licht gebruiken om apparaten met één molecuul nauwkeurig te besturen

In een nieuw Natuurcommunicatie studieOnderzoekers van Columbia Engineering melden dat ze zeer geleidende, afstembare apparaten met één molecuul hebben gebouwd waarin het molecuul aan leidingen wordt bevestigd door gebruik te maken van directe metaal-metaalcontacten. Hun nieuwe aanpak maakt gebruik van licht om de elektronische eigenschappen van de apparaten te controleren en opent de deur naar een breder gebruik van metaal-metaalcontacten die het elektronentransport door het apparaat met één molecuul zouden kunnen vergemakkelijken.

Terwijl apparaten steeds kleiner worden, moeten ook hun elektronische componenten worden geminiaturiseerd. Apparaten met één molecuul, die organische moleculen als hun geleidende kanalen gebruiken, hebben het potentieel om de uitdagingen op het gebied van miniaturisatie en functionaliteit op te lossen waarmee traditionele halfgeleiders worden geconfronteerd. Dergelijke apparaten bieden de opwindende mogelijkheid om extern te worden bestuurd door gebruik te maken van licht, maar tot nu toe hebben onderzoekers dit niet kunnen aantonen.

“Met dit werk hebben we een nieuwe dimensie in de moleculaire elektronica ontsloten, waarbij licht kan worden gebruikt om te bepalen hoe een molecuul zich bindt in de opening tussen twee metaalelektroden”, zegt Latha Venkataraman, een pionier op het gebied van moleculaire elektronica en Lawrence Gussman hoogleraar. Technische Natuurkunde en hoogleraar scheikunde aan Columbia Engineering. “Het is alsof je op nanoschaal een schakelaar omdraait, waardoor allerlei mogelijkheden ontstaan ​​voor het ontwerpen van slimmere en efficiëntere elektronische componenten.”

De groep van Venkataraman bestudeert al bijna twintig jaar de fundamentele eigenschappen van apparaten met één molecuul, waarbij ze de wisselwerking tussen natuurkunde, scheikunde en techniek op nanometerschaal onderzoekt. Haar onderliggende focus ligt op het bouwen van circuits met één molecuul, een molecuul bevestigd aan twee elektroden met gevarieerde functionaliteit, waarbij de circuitstructuur met atomaire precisie wordt gedefinieerd.

Haar groep, evenals degenen die functionele apparaten maken met grafeen, een tweedimensionaal materiaal op basis van koolstof, weten dat het maken van goede elektrische contacten tussen metaalelektroden en koolstofsystemen een grote uitdaging is. Eén oplossing zou zijn om organometallische moleculen te gebruiken en methoden te bedenken om elektrische leidingen te koppelen aan de metaalatomen in het molecuul. Om dit doel te bereiken besloten ze het gebruik van organometallische ijzerhoudende ferroceenmoleculen te onderzoeken, die ook worden beschouwd als kleine bouwstenen in de wereld van de nanotechnologie.

Net zoals LEGO-onderdelen op elkaar kunnen worden gestapeld om complexe structuren te creëren, kunnen ferroceenmoleculen worden gebruikt als bouwstenen om ultrakleine elektronische apparaten te bouwen. Het team gebruikte een molecuul dat werd beëindigd door een ferroceengroep bestaande uit twee op koolstof gebaseerde cyclopentadienylringen die een ijzeratoom insluiten.

Vervolgens gebruikten ze licht om de elektrochemische eigenschappen van de op ferroceen gebaseerde moleculen te benutten om een ​​directe binding te vormen tussen het ferroceen-ijzercentrum en de goudelektrode (Au) wanneer het molecuul zich in een geoxideerde toestand bevond (dat wil zeggen, toen het ijzeratoom er één had verloren). elektron). In deze toestand ontdekten ze dat ferroceen zich kon binden aan de goudelektroden die werden gebruikt om het molecuul met de externe circuits te verbinden. Technisch gezien maakte het oxideren van het ferroceen de binding van een Au mogelijk⁰ naar een Fe³⁺ centrum.

“Door de door licht geïnduceerde oxidatie te benutten, hebben we een manier gevonden om deze kleine bouwstenen bij kamertemperatuur te manipuleren, waardoor deuren worden geopend naar een toekomst waarin licht kan worden gebruikt om het gedrag van elektronische apparaten op moleculair niveau te controleren”, aldus de leider van het onderzoek. auteur Woojung Lee, een Ph.D. student in het laboratorium van Venkararaman.

De nieuwe aanpak van Venkataraman zal haar team in staat stellen de soorten moleculaire terminatie (contact) chemie uit te breiden die ze kunnen gebruiken voor het maken van apparaten met één molecuul. Deze studie toont ook het vermogen aan om dit contact aan en uit te zetten door licht te gebruiken om de oxidatietoestand van het ferroceen te veranderen, wat een door licht schakelbaar, op ferroceen gebaseerd apparaat met één molecuul aantoont. De lichtgestuurde apparaten kunnen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van sensoren en schakelaars die reageren op specifieke lichtgolflengten, waardoor ze veelzijdiger en efficiëntere componenten bieden voor een breed scala aan technologieën.