Konsumenternas efterfrågan driver kontinuerligt elektronikindustrin att designa mindre enheter. Nu har forskare vid A*STAR använt en teoretisk modell för att bedöma potentialen hos elektriska ledningar gjorda av polymerkedjor som kan hjälpa till med miniatyrisering.

När konventionella kiselintegrerade kretsar når sin nedre storleksgräns, nya koncept krävs som molekylär elektronik – användningen av elektroniska komponenter som består av molekylära byggstenar. Shuo-Wang Yang vid A*STAR Institute of High Performance Computing tillsammans med sina kollegor och medarbetare, använder datormodellering för att designa elektriska ledningar gjorda av polymerkedjor.

"Det har varit ett långvarigt mål att göra ledande molekylära ledningar på traditionella halvledar- eller isolatorsubstrat för att tillgodose den pågående efterfrågan miniatyrisering av elektroniska enheter, " förklarar Yang.

Framsteg har försenats med att identifiera molekyler som både leder elektricitet och binder till substrat. "Strukturer med funktionella grupper som underlättar stark ytadsorption uppvisar vanligtvis dålig elektrisk ledningsförmåga, eftersom avgiftsoperatörer tenderar att lokalisera sig till dessa grupper, " han lägger till.

Yangs team tillämpade densitetsfunktionella teorin på en tvåstegsmetod för att syntetisera linjära polymerkedjor på en kiselyta1, 2. "Denna teori är den bästa simuleringsmetoden för att avslöja mekanismen bakom kemiska reaktioner på atomär och elektronisk nivå. Den kan användas för att förutsäga reaktionsvägarna för att vägleda forskare, säger Yang.

Det första steget är den självmonterade tillväxten av enstaka monomerer på kiselytan. Yangs team studerade flera potentiella monomerer inklusive, senast, en tiofensubstituerad alken1 och en symmetrisk bensenring med tre alkyner fästa2. Det andra steget är polymerisationen av de bundna monomererna genom att tillsätta en radikal till systemet.

Enligt beräkningarna, dessa bundna polymerer är halvledare i sitt naturliga tillstånd. "Vi introducerade några hål, såsom atomära defekter, till ledningarna för att flytta Fermi-nivåerna och göra dem ledande, " förklarar Yang.

Teamet studerade sedan elektronbandstrukturerna för varje komponent före och efter tjudrande och polymerisation; hitta liten laddningsöverföring mellan molekyltrådarna och kiselytorna. "De ytympade polymererna och underliggande substraten verkar oberoende av varandra, som är en idealisk modell av en ledande molekylär tråd på ett traditionellt halvledarsubstrat, säger Yang.

"Vårt fynd ger en teoretisk guide för att tillverka idealiska molekylära ledningar på traditionella halvledande ytor, ", tillägger han. Teamet planerar att utöka sitt arbete för att studera 2D-analoger av dessa 1D-polymerkedjor som skulle kunna fungera som ett metallskikt i molekylära elektroniska enheter.