Nyligen, vid Arizona State Universitys Biodesign Institute, N.J. Tao och medarbetare har hittat ett sätt att tillverka en viktig elektrisk komponent i en fenomenalt liten skala. Deras enkelmolekylära diod beskrivs i veckans nätupplaga av Naturkemi .

I elektronikvärlden, dioder är en mångsidig och allestädes närvarande komponent. Visas i många former och storlekar, de används i en oändlig mängd enheter och är viktiga ingredienser för halvledarindustrin. Göra komponenter inklusive dioder mindre, billigare, snabbare och effektivare har varit den heliga gralen i ett exploderande elektronikfält, undersöker nu nanoskalan.

Mindre storlek innebär billigare kostnader och bättre prestanda för elektroniska enheter. Den första generationens datorprocessor använde några tusen transistorer, Tao säger att han noterar kiselteknologins branta framsteg. "Nu till och med enkelt, billiga datorer använder miljontals transistorer på ett enda chip."

Men på sistone, uppgiften att miniatyrisera har blivit mycket svårare, och det berömda påståendet känt som Moores lag – som säger att antalet kiselbaserade transistorer på ett chip fördubblas var 18-24:e månad – kommer så småningom att nå sina fysiska gränser. "Transistorstorleken når några tiotals nanometer, bara cirka 20 gånger större än en molekyl, " säger Tao. "Det är en av anledningarna till att folk är entusiastiska över den här idén om molekylär elektronik."

Dioder är kritiska komponenter för ett brett spektrum av applikationer, från kraftomvandlingsutrustning, till radioapparater, logiska grindar, fotodetektorer och ljusavgivande anordningar. I varje fall, dioder är komponenter som tillåter ström att flyta i en riktning runt en elektrisk krets men inte i den andra. För att en molekyl ska kunna utföra denna bedrift, Tao förklarar, det måste vara fysiskt asymmetriskt, med en ände kapabel att bilda en kovalent bindning med den negativt laddade anoden och den andra med den positiva katodterminalen.

Den nya studien jämför en symmetrisk molekyl med en asymmetrisk, detaljer om var och ens prestanda när det gäller elektrontransport. "Om du har en symmetrisk molekyl, strömmen går åt båda hållen, ungefär som ett vanligt motstånd, " konstaterar Tao. Detta är potentiellt användbart, men dioden är en viktigare (och svårare) komponent att replikera (se figur).

Idén att överträffa kiselgränserna med en molekylbaserad elektronisk komponent har funnits ett tag. "Teoretiska kemister Mark Ratner och Ari Aviram föreslog användningen av molekyler för elektronik som dioder redan 1974, "Tao säger, och tillägger "människor runt om i världen har försökt åstadkomma detta i över 30 år."

De flesta ansträngningar hittills har involverat många molekyler, Tao anteckningar, hänvisar till molekylära tunna filmer. Först på senare tid har allvarliga försök gjorts för att övervinna hindren för enmolekyldesign. En av utmaningarna är att överbrygga en enda molekyl till minst två elektroder som levererar ström till den. En annan utmaning involverar den korrekta orienteringen av molekylen i enheten. "Vi kan nu göra detta - att bygga en enda molekylanordning med en väldefinierad orientering, " säger Tao.

Tekniken som utvecklats av Taos grupp bygger på en egenskap som kallas AC-modulering. "I grund och botten, vi applicerar lite periodiskt varierande mekanisk störning på molekylen. Om det finns en molekyl överbryggad över två elektroder, den svarar på ett sätt. Om det inte finns någon molekyl, vi kan berätta."

Det tvärvetenskapliga projektet involverade professor Luping Yu, vid University of Chicago, vem levererade molekylerna för studier, samt teoretisk samarbetspartner, Professor Ivan Oleynik från University of South Florida. Teamet använde konjugerade molekyler, där atomer sitter ihop med omväxlande enkel- och multipelbindningar. Sådana molekyler uppvisar stor elektrisk ledningsförmåga och har asymmetriska ändar som kan spontant bilda kovalenta bindningar med metallelektroder för att skapa en sluten krets.

Projektets resultat ökar möjligheten att bygga enmolekylära dioder - de minsta enheter man någonsin kan bygga. "Jag tycker att det är spännande eftersom vi kan titta på en enda molekyl och leka med den, " säger Tao. "Vi kan lägga på en spänning, en mekanisk kraft, eller optiskt fält, mät ström och se svaret. Eftersom kvantfysiken styr beteendet hos enskilda molekyler, denna förmåga tillåter oss att studera egenskaper som skiljer sig från de för konventionella enheter."

Apotek, fysiker, materialforskare, beräkningsexperter och ingenjörer spelar alla en central roll inom det framväxande området nanoelektronik, där ett zoo av tillgängliga molekyler med olika funktioner utgör råvaran för innovation. Tao undersöker också de mekaniska egenskaperna hos molekyler, till exempel, deras förmåga att svänga. Bindande egenskaper mellan molekyler gör dem till attraktiva kandidater för en ny generation kemiska sensorer. "Personligen, Jag är intresserad av molekylär elektronik inte på grund av deras potential att duplicera dagens kiselapplikationer, " säger Tao. Istället, molekylär elektronik kommer att dra nytta av unik elektronisk, mekanisk, optiska och molekylära bindningsegenskaper som skiljer dem från konventionella halvledare. Detta kan leda till att applikationer kompletterar snarare än ersätter silikonenheter.

Källa:Arizona State University (nyheter:webb)