Forskare visar hög elektrisk konduktans för ett antiaromatiskt nickelkomplex - en storleksordning högre än för ett liknande aromatiskt komplex. Eftersom konduktansen också är avstämbar genom elektrokemisk grind, antiaromatiska komplex är lovande material för framtida elektroniska enheter.

Organiska material har ofta en lägre produktionskostnad än traditionella elektriska ledare som metaller och halvledare. Inte alla organiska system leder elektricitet bra, dock. En klass av organiska material som kallas antiaromatiska föreningar - med plana ringar av kolatomer som delar ett antal elektroner som är en multipel av fyra - har förutspåtts vara utmärkta ledare, men denna förutsägelse har varit svår att verifiera eftersom antiaromatiska molekyler vanligtvis är instabila. Nu, Shintaro Fujii och Manabu Kiguchi från Tokyo Institute of Technology och kollegor har utfört en systematisk studie av laddningstransport i en singel, stabil antiaromatisk molekyl. Jämfört med en strukturellt besläktad aromatisk molekyl (där kolringarna delar på ytterligare två elektroner), dess rekord elektriska konduktans är en storleksordning högre.

Forskarna studerade ett särskilt norkorrolbaserat nickelkomplex, Ni(nor), som är antiaromatisk men stabil, och en strukturellt liknande aromatisk, porfyrinbaserat nickelkomplex, Ni(porph). De mätte konduktiviteterna hos de två föreningarna med hjälp av scanning tunneling microscopy break-junction-tekniken; i en sådan uppställning, strömmen genom en enda molekyl som är inklämd mellan två delar av en bruten korsning mäts som en funktion av pålagd spänning. Med en konduktans på över 4 ^10–4 konduktans kvanta, Ni(nor) är det mest ledande kända organometalliska komplexet. Ni(porph) visade sig ha ett värde cirka 25 gånger lägre, ett resultat som bekräftar den överlägsna konduktiviteten hos antiaromatiska molekyler. Via teoretiska beräkningar av molekylernas elektroniska struktur och laddningstransportegenskap, forskarna kunde identifiera ursprunget till den antiaromaticitetsförstärkta konduktansen:för Ni(nor), den lägsta lediga molekylära orbitalen ligger närmare Fermi-nivån (mängden arbete som krävs för att lägga till en elektron till systemet) än för Ni(porph).

Fujii och kollegor lyckades också påvisa avstämbarhet av enkelmolekylär konduktans av Ni(nor). Genom att tillämpa en teknik som kallas elektrokemisk gating, som gör det möjligt att kontrollera de molekylära energinivåerna i förhållande till Fermi-nivån för käll- och dräneringselektroderna (i enkelmolekylövergången) genom att variera en applicerad elektrokemisk potential, forskarna visade en 5-faldig modulering av konduktansen hos Ni(nor).

Resultaten av Fujii och kollegor visar att antiaromatiska material är lovande lågkostnadssystem som uppvisar hög elektrisk ledningsförmåga. Med forskarnas ord, deras studie "ger relevanta riktlinjer för design av molekylära material för högledande enmolekylär elektronik.

Bakgrund

Aromaticitet och antiaromaticitet

Organiska molekyler kallas aromatiska när de har en plan ring av kolatomer med resonansbindningar - en typ av bindning mellan en enkel- och en dubbelbindning, vilket resulterar i hög kemisk stabilitet (dvs. låg reaktivitet). Den arketypiska aromatiska molekylen är bensen, C ₆ H ₆ , med en hexagonal aromatisk ring av kolatomer. Antalet elektroner (så kallade π-elektroner) som delas av ringen är alltid en multipel av fyra plus två (för bensen, till exempel, det är sex), en egenskap som kallas Hückels regel.

Antiaromaticitet är en liknande egenskap:en plan kolring, men med ett antal π-elektroner som är en multipel av fyra (för cyklobutadien, till exempel, det är fyra). En sådan situation resulterar i kemisk instabilitet.

Fujii och kollegor arbetade med ett stall, nickelbaserat komplex med en antiaromatisk del. Jämfört med ett liknande komplex med en aromatisk del, dess konduktans är en storleksordning större, bekräftar den tidigare förutsägelsen att antiaromatiska molekyler är utmärkta elektriska ledare.

Ledningsförmåga

Hur väl ett material leder elektricitet uttrycks via en storhet som kallas elektrisk konduktans, G. Det är inversen av elektriskt motstånd, R =1/G. Konduktans definieras som förhållandet mellan strömmen I som går genom materialet (eller, i detta arbete, en enda molekyl) och spänningen V över den. Konduktansenheten är siemens, S, men konduktansvärden ges ofta med avseende på konduktanskvantumet, G0 ≈ 7,7 x 10 ^–5 S.

Fujii och kollegor erhöll värden på konduktansen för relaterade antiaromatiska och aromatiska nickelbaserade komplex genom att mäta deras strömspänningsegenskaper (I-V) i en scanning-tunneling mikroskopi (STM) setup.