Ovanifrån av 3D-datormodell (vänster) och Atomic Force Microscopy-bild (höger) av den nya filmen gjord av forskare vid University of Tokyo. Molekylernas välorganiserade struktur syns i både 3D-datormodellen och mikroskopbilden som ett fiskbens- eller hårkorsmönster. Färgskillnaderna i mikroskopibilden är ett resultat av de olika längderna på molekylernas svansar; längdskillnaderna orsakar den geometriska frustrationen som hindrar lager från att staplas. pm =pikometer, nm =nanometerKredit:Shunto Arai och Tatsuo Hasegawa
Japanska forskare har utvecklat en ny metod för att bygga stora ytor av halvledande material som är bara två molekyler tjocka och totalt 4,4 nanometer höga. Filmerna fungerar som tunnfilmstransistorer, och har potentiella framtida tillämpningar inom flexibel elektronik eller kemikaliedetektorer. Dessa tunnfilmstransistorer är det första exemplet på halvledande enkla molekylära dubbelskikt skapade med bearbetning av flytande lösning, en standardtillverkningsprocess som minimerar kostnaderna.
"Vi vill ge elektroniska enheter egenskaperna hos riktiga cellmembran:flexibla, stark, känslig, och supertunn. Vi hittade ett nytt sätt att designa halvledande enkelmolekylära dubbelskikt som gör att vi kan tillverka stora ytor, upp till 100 kvadratcentimeter (39 kvadrattum). De kan fungera som högpresterande tunnfilmstransistorer och kan ha många tillämpningar i framtiden, sa assisterande professor Shunto Arai, den första författaren på den senaste forskningspublikationen.
Professor Tatsuo Hasegawa vid University of Tokyo Department of Applied Physics ledde teamet som byggde den nya filmen. Genombrottet för deras framgång är ett koncept som kallas geometrisk frustration, som använder en molekylform som gör det svårt för molekyler att lägga sig i flera lager ovanpå varandra.
Filmen är genomskinlig, men krafterna av attraktion och repulsion mellan molekylerna skapar en organiserad, upprepat fiskbensmönster när filmen ses uppifrån genom ett mikroskop. Den övergripande molekylära strukturen hos dubbelskiktet är mycket stabil. Forskare anser att det borde vara möjligt att bygga samma struktur av olika molekyler med olika funktionalitet.
Konstnärs representation av geometriskt frustrerade molekyler. Molekylerna är inriktade head-to-head (gula delar) med deras svansar pekar i motsatta riktningar (grå delar) så att molekylerna bildar en vertikal linje. De olika svanslängderna förhindrar att ytterligare lager av molekyler staplas på toppen. Tunnfilmstransistorer gjorda av enkla molekylära dubbelskikt kommer att ha bättre enhetsprestanda än filmer som är oregelbundna eller större tjocka. Kredit:University of Tokyo
De enskilda molekylerna som används i den aktuella filmen är uppdelade i två regioner:ett huvud och en svans. Huvudet på en molekyl staplas ovanpå en annan, med sina svansar pekande i motsatta riktningar så att molekylerna bildar en vertikal linje. Dessa två molekyler är omgivna av identiska head-to-head par av molekyler, som alla tillsammans bildar en smörgås som kallas ett molekylärt dubbelskikt.
Forskare upptäckte att de kunde förhindra ytterligare dubbelskikt från att staplas ovanpå genom att bygga dubbelskiktet av molekyler med olika långa svansar, så ytorna på dubbelskiktet är grova och motverkar naturligtvis stapling. Denna effekt av olika längder kallas geometrisk frustration.
Standardmetoder för att skapa halvledande molekylära dubbelskikt kan inte kontrollera tjockleken utan att orsaka sprickor eller en oregelbunden yta. Den geometriska frustrationen av olika långa svansar har gjort det möjligt för forskare att undvika dessa fallgropar och bygga en 10 cm x 10 cm (3,9 tum x 3,9 tum) kvadrat av sin film med den vanliga industriella metoden för lösningsbearbetning.
Konstnärs representation av bladbeläggningslösningsprocessen för att producera enmolekylära dubbelskikts tunnfilmstransistorer. Vätskemolekyler sprids med ett blad över produktionsytan vid rumstemperatur och standardlufttryck i en teknik som kallas lösningsbearbetning. När vätskan torkar, de intermolekylära krafterna gör att molekylerna automatiskt ordnar sig i geometriskt frustrerade enkla dubbelskikt bara 4,4 nanometer tjocka. Kredit:Shunto Arai och Tatsuo Hasegawa
De halvledande egenskaperna hos dubbelskiktet kan ge filmerna tillämpningar inom flexibel elektronik eller kemisk detektion.
Halvledare kan växla mellan tillstånd som tillåter elektricitet att flöda (ledare) och tillstånd som hindrar elektricitet från att flöda (isolatorer). Denna på/av-omkoppling är det som gör att transistorer snabbt kan ändra visade bilder, till exempel en bild på en LCD-skärm. Det enda molekylära dubbelskiktet som skapats av UTokyo-teamet är mycket snabbare än amorfa tunnfilmstransistorer av kisel, en vanlig typ av halvledare som för närvarande används inom elektronik.
