(PhysOrg.com)-Ny forskning banar väg för nanoskala självmontering av organiska byggstenar, en lovande ny väg mot nästa generation av ultrasmå elektroniska enheter.
Ringliknande molekyler med ovanlig femfaldig symmetri binder starkt till en kopparyta, på grund av en betydande överföring av avgifter, men upplever anmärkningsvärt små svårigheter vid diffusion i sidled, och uppvisar förvånansvärt liten interaktion mellan angränsande molekyler. Denna oöverträffade kombination av funktioner är idealisk för spontan skapande av stabila tunna filmer med hög densitet, bestående av en beläggning av dessa organiska femkantiga plattor, med potentiella applikationer inom datorer, solenergi och nya displaytekniker.
För närvarande, kommersiell elektronik använder ett top-down-tillvägagångssätt, med malning eller etsning av oorganiskt material, som kisel, för att göra en enhet mindre. Under många år har datorkretsens datorkraft fördubblats var artonde månad (ett fenomen som kallas Moores lag) men en gräns för denna tillväxt väntas snart. På samma gång, effektiviteten att koppla elektroniska komponenter till inkommande eller utgående ljus (antingen vid elproduktion från solljus, eller vid generering av ljus från elektricitet i plattskärmar och belysning) begränsas också i grunden av utvecklingen av tillverkningstekniker i nanometerskala.
Forskare letar därför efter geniala lösningar i skapandet av allt mindre elektronik. Inom nanoteknik har man en bottom-up-strategi för att skapa elektronik med naturligt självmonterade organiska komponenter, såsom polymerer, som kommer att kunna spontant bilda enheter med de önskade elektroniska eller optiska egenskaperna.
De senaste resultaten är från forskare vid University of Cambridge och Rutgers University som arbetar med utvecklingen av nya klasser av organiska tunna filmer på ytor. Genom att studera de grundläggande krafterna vid spel i självmonterade tunna filmer, de utvecklar den kunskap som gör det möjligt för dem att skräddarsy dessa filmer till molekylärskalig organisk-elektronisk utrustning, skapa mindre komponenter än vad som någonsin skulle vara möjligt med konventionella tillverkningstekniker.
Dr Holly Hedgeland, vid Institutionen för fysik vid University of Cambridge, en av medförfattarna till tidningen som rapporterar forskningen, sade:"Med halvledarindustrin för närvarande värd uppskattningsvis $ 249 miljarder per år finns det en tydlig motivation mot en molekylär förståelse av innovativ teknik som kan komma att ersätta dem vi använder idag."
Det är inte bara de elektroniska egenskaperna hos en molekyl på en yta som kommer att styra dess potential att utgöra en del av en enhet, men också om den kommer att flytta av sig själv till den nödvändiga strukturella konfigurationen och förbli stabil i den positionen även om enheten blir uppvärmd vid användning.
Molekyler som är starkt bundna till substratet med en hög grad av laddningsöverföring erbjuder en rad nya möjligheter, även om lite för närvarande är känt om deras beteende. Ett antal organiska molekyler, vanligtvis med kolringar som elektronisk laddning kan leda över, potentiellt visa rätt elektroniska egenskaper, men de långsiktiga krafter som kommer att styra deras självmontering under de första tillväxtfaserna förblir ofta ett mysterium.
Nu är det tvärvetenskapliga teamet baserat på avdelningarna för fysik och kemi vid University of Cambridge, och Institutionen för kemi och kemisk biologi vid Rutgers University, har rapporterat de första dynamiska mätningarna för en ny klass av organisk tunn film där cyklopentadienylmolekyler (C5H5) får betydande elektronisk laddning från ytan, men diffunderar lätt över ytan och visar interaktioner med varandra som är mycket svagare än vad som normalt skulle förväntas för den överförda laddningen.
Hedgeland förklarade:"Genom att koppla den experimentella heliumspinnekotekniken till avancerade första principberäkningar, vi kunde studera det dynamiska beteendet hos ett cyklopentendienylskikt på en kopparyta, och att härleda att laddningsöverföringen mellan metallen och den organiska molekylen skedde i en kontraintuitiv mening. "
Dr Marco Sacchi, vid Institutionen för kemi vid University of Cambridge, som utförde beräkningarna som hjälpte till att förklara de häpnadsväckande nya experimentella resultaten, sade att "nyckeln till cyklopentadienyls unika beteende ligger i dess femkantiga (femfaldiga) symmetri, som förhindrar att den låser sig på någon plats inom kopparytans triangulära (trefaldiga) symmetri genom riktade kovalenta bindningar, lämnar det fritt att enkelt flytta från plats till plats; på samma gång, dess interna elektroniska struktur är bara en elektron mindre än en extremt stabil 'aromatisk' konfiguration, uppmuntra en hög grad av laddningsöverföring från ytan och skapa en stark icke-riktad jonisk bindning. "
Forskarnas resultat, rapporterade i Fysiska granskningsbrev i dag, Fredag 06 maj, markera potentialen för en ny kategori av molekylärt adsorbat, som kan uppfylla alla kriterier som krävs för användbar tillämpning.
Hedgeland avslutade:"Den ovanliga karaktären hos laddningsöverföringen i det här fallet förhindrar de stora frånstötande interaktionerna mellan angränsande molekyler som annars hade kunnat förväntas, och därför bör möjliggöra bildning av ovanligt högdensitetsfilmer. På samma gång, molekylerna förblir mycket rörliga och ändå starkt bundna till ytan, med en hög grad av termisk stabilitet. I alla, Detta är en kombination av fysiska egenskaper som ger enorm potential för utvecklingen av nya klasser av självmonterade organiska filmer som är relevanta för tekniska tillämpningar. "
