Vår förståelse för enmolekylär elektronik har blivit tydligare och svaret innebar att använda en vanlig hushållsartikel-salt.

Byggde på ett tidigare papper 2009, där IBM -forskare och samarbetspartners demonstrerade förmågan att mäta laddningstillståndet för enskilda atomer med hjälp av icke -kontaktmotståndskraftsmikroskopi (AFM), de har nu tagit det ett steg längre, mäta energinivåer för enskilda molekyler på isolatorer, för första gången. Forskningen visas idag i peer-review journal Naturnanoteknik .

Uppfunnet i mitten av 1980-talet, atomkraftmikroskopet mäter små krafter mellan spetsen och provet, såsom en molekyl på ett stöd. Tipset är mångsidigt, exakt instrument, som kan bilda molekyler med en aldrig tidigare skådad upplösning och till och med utlösa molekyler som aldrig tidigare setts.

Skalningselektronik

Om du någonsin har öppnat någon typ av elektronisk enhet, till exempel en dator eller till och med en digital väckarklocka, du skulle ha upptäckt det som kallas ett kretskort (PCB). Dessa vanligtvis gröna tavlor ser ut som kartor som visar alla elektroniska komponenter i enheten, Inklusive, vad som kallas ledande spår. Dessa spår bär elektrisk ström, som järnvägsspår, hela kortet så att enheten kan fungera. Skivorna innehåller också isolerande lager som skyddar spåren från strömläckage. Utan dessa lager, även små elektroniska enheter skulle kräva mer energi för att fungera.

När du utvärderar de grundläggande byggstenarna för samma dator eller klocka, men inom molekylär elektronik, vi skulle se en liknande uppläggning med enstaka molekyler som ledande spår och enstaka elektroner som överförs från molekylerna. Medan det isolerande skiktet är till hjälp på kretskortet, det liknande underliggande isolerande substratet, i denna skala, har ytterligare effekter som måste beaktas.

"När du laddar en molekyl på en isolator, atomerna i molekylen kommer att slappna av för att ta emot denna extra avgift och lika viktigt, så kommer kärnorna i isolatorn. Eftersom molekylen är ovanpå en isolator, elektronisk karakterisering av ett sådant system är mycket svårt. "sade Shadi Fatayer, en pre-doc på IBM Research och den första författaren till uppsatsen.

Han lägger till, "Denna förändring av atomernas position påverkar deras energinivåer, som har drastiska effekter när det gäller överföring av en enelektron mellan molekyler. Överföringshastigheten för elektroner kan ställas in för att variera flera storleksordningar. "

Teamet av forskare från IBM, University of Liverpool, Chalmers University och University of Regensburg försökte på ett annat sätt att hantera detta problem.

De odlade först flerskikt av NaCl, även känd som natriumklorid eller salt, fungerar som ett isolerande material, ovanpå ett metallunderlag. Ett sådant system gör det möjligt för molekylerna som absorberas ovanpå att deras laddningstillstånd är stabila och avkopplade från metallytan.

Sedan, laget funderade:"Hur mäter vi omorganisationsenergier?" Experimentellt, det görs med molekyler i lösning, med molekyler ovanpå en metall, men tills nu, det fanns ingen teknik som gjorde det möjligt att undersöka enskilda molekyler ovanpå en isolator.

Deras unika tillvägagångssätt består i att använda AFM och enstaka elektroner. Enstaka elektroner används för att sondra laddningstillståndsövergångar av två definierade laddningstillstånd i båda riktningarna. I experimentet testar forskarna sin metod på en enda naftalocyaninmolekyl.

Som tidigare publicerats, författarna visste att de på ett tillförlitligt sätt kunde använda AFM för att mäta olika laddningstillstånd ovanpå en ultratunn isolator med enkel elektronkänslighet. De visade också nyligen avbildning av stabilt laddade molekyler samt överföring av enstaka elektroner mellan molekyler ovanpå en tjockare isolator. Dock, förmågan att mäta omorganisationsenergier kräver mätning av energinivåerna som motsvarar särskilda laddningstillståndsövergångar.

"Innan detta arbete vi visste hur vi skulle mäta den elektriska strömmen genom molekylen. Dock, detta fungerade bara i en riktning för en given orbital. När vi kunde mäta energin för att fästa en elektron till en viss orbital, vi kunde aldrig mäta energin för att ta bort en elektron från den orbitalen och vice versa. Möjligheten att mäta i båda riktningarna - detta saknades, "sa IBM -fysikern Leo Gross." Med vår AFM -metod, vi mäter energinivåerna i båda laddningsstatusändringsriktningarna på ett tunnfilmsunderlag. Men det är otroligt krävande arbete som behandlar mycket svaga signaler, vilket innebär att många noggranna mätningar behövs för att utföra korrekt statistisk analys. "

Han lägger till, "Med hjälp av denna nya metodik, vi använder spetsen och kraften som utövas på spetsen för att räkna enstaka elektroner. Vi justerar spetsens höjd och spänning och räknar sedan hur lång tid det tar för en elektron att gå till (eller från) spetsen och från detta kan du få energinivåerna. "

"Vår största utmaning berodde på att spetsen var längre bort än normalt för att korrekt mäta tunnelhändelser, "lägger till Fatayer." De mycket svaga krafterna vi mätte associerar till strömmar i zepto Ampere -skalan - det är 10 till minus 21 (10 ^-21 ). De flesta fysiker behöver aldrig använda detta prefix, men vi gör det genom att mäta en elektron varannan sekund. Vi använder bokstavligen AFM som en enda elektronströmmätare. "

Även om detta är mycket grundläggande forskning, applikationerna sträcker sig från elektroniska enheter, till exempel för att karakterisera defekter i marker, till solceller och organiska halvledare.