Onderzoek naar interacties op moleculaire kruispunten voor nieuwe elektronische apparaten

Onderzoek naar interacties op moleculaire kruispunten voor nieuwe elektronische apparaten

De structuur van een moleculaire junctie met niet-covalente interactie speelt een sleutelrol in elektronentransport, blijkt uit een recent onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van Tokyo Tech. Door gelijktijdige oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing en stroom-spanningsmetingen, ontdekten ze dat een enkele dimeerovergang van naftaleenthiolmolecuul drie verschillende bindingen vertoont, namelijk π – π intermoleculaire en door-π en door-ruimte molecuul-elektrode-interacties. Credits: Satoru Kaneko, Tomoaki Nishino, Tokyo Institute of Technology

De structuur van een moleculaire junctie met niet-covalente interactie speelt een sleutelrol in elektronentransport, blijkt uit een recent onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van Tokyo Tech. Door gelijktijdige oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing en stroom-spanningsmetingen, ontdekten ze dat een enkele dimeerovergang van naftaleenthiolmolecuul drie verschillende bindingen vertoont, namelijk π – π intermoleculaire en door-π en door-ruimte molecuul-elektrode-interacties.

De π – π-interactie is een soort niet-covalente interactie die optreedt wanneer de elektronenwolken in de π-orbitalen van aromatische ringen of π-geconjugeerde moleculaire systemen elkaar overlappen. Deze interactie maakt een efficiënte beweging van elektronen tussen de moleculen mogelijk, wat de mogelijkheid biedt om materialen met unieke elektronische eigenschappen te ontwerpen.

De structuur van de knooppunten die door deze moleculen worden gevormd, speelt een beslissende rol bij het elektronentransport. Door onvoldoende structurele informatie over deze knooppunten is het echter een uitdaging om een ​​duidelijke relatie tussen de structuur en de elektronentransporteigenschappen vast te stellen.

Om deze kenniskloof aan te pakken, heeft een groep onderzoekers uit Japan, onder leiding van assistent-professor Satoshi Kaneko en universitair hoofddocent Tomoaki Nishino van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), onlangs een enkele dimeer- en monomeerverbinding van naftaleenthiol (NT)-molecuul gefabriceerd en voerde een gedetailleerd onderzoek uit naar hun structuur en elektronentransporteigenschappen met behulp van gecombineerde optische en elektrische metingen. Hun studie is onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

De onderzoekers fabriceerden de verbinding door eerst een gouden elektrode op een fosforbronsplaat met een polyimidelaag te plaatsen. Vervolgens verwijderden ze selectief het polyimidemateriaal onder het centrale gebied van de goudelektrode, waardoor een vrijstaande structuur ontstond. Ten slotte voegden ze druppelsgewijs een ethanoloplossing met NT toe aan het substraat, wat resulteerde in de vorming van een enkele laag NT-moleculen die de goudelektroden met elkaar verbinden.

Nadat ze de kruising hadden gefabriceerd, voerden de onderzoekers vervolgens gelijktijdige in situ oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing (SERS) en stroom-spanningsmetingen (I-V) uit door gebruik te maken van de mechanisch bestuurbare break-junction-techniek. “Dit werd gevolgd door een correlatieanalyse van de gemeten trillingsenergie en elektrische geleidingswaarden, waardoor de intermoleculaire en molecuul-elektrode-interacties en transporteigenschappen in de NT-overgang konden worden geïdentificeerd”, legt Dr. Kaneko uit.

De stroom-spanningsmetingen onthulden verschillende toestanden met hoge geleidbaarheid en lage geleidbaarheid. Terwijl een hooggeleidende toestand voortkwam uit een NT-monomeerovergang, waar het molecuul rechtstreeks interageert met goudelektroden door directe π-binding, ontstond de laaggeleidende toestand als gevolg van een NT-dimeer gevormd door intermoleculaire π-π-interactie.

Het beschouwen van trillingsenergie naast geleiding bevestigde echter drie verschillende structuren op de kruising, respectievelijk overeenkomend met een hooggeleidende toestand en twee laaggeleidende toestanden. Toen de naftaleenring – in zowel dimeer- als monomeerconfiguraties – via π-koppeling rechtstreeks in wisselwerking stond met de goudelektroden, werden sterk geleidende juncties gevormd. Omgekeerd resulteerden zwakke interacties tussen de naftaleenring en de goudelektrode door ruimtekoppeling in zwak geleidende knooppunten.

“De gelijktijdige toepassing van de SERS- en IV-techniek zou de verschillende niet-covalente interacties in de NT-moleculaire junctie kunnen onderscheiden, wat licht werpt op de eigenschappen van het elektronentransport. Bovendien werd het niet-covalente karakter ook onthuld door de vermogensdichtheidsspectra”, zegt Dr. Nishino.

De huidige bevindingen bieden dus belangrijke inzichten in π-π-interacties die de weg zouden kunnen effenen voor het gebruik van aromatische moleculen bij het ontwerp van toekomstige elektronische apparaten en technologieën.

Meer informatie:
Kanji Homma et al, Intermolecular and Electrode-Molecule Bonding in a Single Dimer Junction of Naphthalenethiol zoals onthuld door Surface-Enhanced Raman Scattering gecombineerd met transportmetingen, Tijdschrift van de American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c02050

Tijdschrift informatie:
Tijdschrift van de American Chemical Society

Aangeboden door Tokyo Institute of Technology

Nieuwste artikelen

spot_img

Related Stories

Leave A Reply

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in