(Phys.org)—Framtidens elektronik skulle kunna använda molekyler för att göra sin aritmetik. De små partiklarna kan sedan ta över de uppgifter som för närvarande utförs av kiseltransistorer, till exempel. Forskare från Fritz Haber-institutet vid Max Planck Society i Berlin har använt en nanotråd som potentiellt skulle kunna leda ström mellan molekylära transistorer eller olika komponenter. Det lilla ledande spåret består av ett smalt grafenband, det vill säga en remsa av ett enda lager kol. Deras nästa steg var att använda ett skanningstunnelmikroskop för att utföra komplicerade mätningar för att bestämma hur konduktansen hos kolremsan beror på dess längd och elektronernas energi. De lärde sig därmed mer om hur laddning i form av elektroner transporteras genom nanotråden och hur de ledande spåren kan förbättras för potentiella tillämpningar inom nanoelektronik.

En tråd kan knappast bli tunnare. Men de rekordstora dimensionerna av grafentrådar erbjuder inte bara nya möjligheter, de ställer också fysiker inför utmaningar. Leonhard Grill och hans kollegor vid Berlin Fritz Haber Institute i Max Planck Society har nu antagit dessa utmaningar. De började med att tillverka ett smalt grafenband, dess design baserad på deras eget och andras arbete. För det första, de förångade molekylära bitar av grafenremsor på en yta. Molekylerna försågs med kemiska bindningar så att de först kombinerades till en lång kedja och slutligen bildade en platt, styvt band.

En delikat beröring behövs för att mäta konduktansen hos nanotrådar

Sedan startade forskarna i Leonhard Grills grupp sitt verkliga projekt:de mätte konduktansen hos en enskild nanotråd som en funktion av dess längd. "Detta gör det möjligt för oss att ta reda på hur laddningstransporten i grafennannotråden fungerar, " förklarar Leonhard Grill. Detta tillvägagångssätt gör det främst möjligt för forskarna att ta reda på om deras nanotråd är en perfekt ledare vars konduktans inte varierar med längden, som skulle vara fallet med en nanotråd av metall. Forskarna fick sina resultat i ett knepigt experiment:de bestämde strömflödet genom ett enskilt grafenband, som förband spetsen på ett skanningstunnelmikroskop med en guldyta, vid olika spänningar, det är elektronenergier, och på olika avstånd.

Detta innebar att de till en början var tvungna att lyfta upp nanotråden från ytan. Det här är som att lyfta en pappersbit med ett vått finger, förutom att lyfta upp nanotråden kräver en oändligt mycket mer känslig beröring. "Tråden faller lätt ner igen, speciellt vid högre spänningar mellan spetsen och guldytan, " förklarar Matthias Koch, som genomförde experimenten som en del av sitt doktorandarbete. "Även om vi nu har några knep för att hålla tag i grafenbanden med spetsen, vi behöver fortfarande många försök."

Kanten på grafenremsan påverkar laddningstransporten

Mätningarna visade att strömmen genom grafentråden inte flödade med relativt lågt motstånd som den gör genom en koppartråd. Tvärtom, elektronerna flödade genom tråden med hjälp av en kvantmekanisk process:de tunnlade genom den. Endast kvantpartiklar kan tunnla, och de gör alltid detta när en barriär som de inte kunde övervinna enligt den klassiska fysikens lagar ger motstånd. Partiklarna tar sig igenom barriären ändå bara på grund av sina kvantegenskaper. Ju större avstånd som elektronerna måste övervinna, desto färre kommer till andra sidan. "Konduktansen i en nanotråd beror därför mycket på dess längd, säger Matthias Koch. Dessutom avsevärt mindre ström flyter totalt sett i tunnlingsprocessen än i laddningstransporten i en konventionell ledare.

Forskarna visade också för första gången hur laddningstransporten beror på elektronenergin. Om de väljer elektronenergin så att den matchar energin i molekylorbitalen, laddtransporten förbättras omedelbart. Orbitaler är utrymmena i atomer och molekyler som elektroner, var och en har en exakt definierad energi, uppta. "Molekylära orbitaler fungerar som kanaler som sträcker sig över hela molekylen och tillåter effektiv laddningstransport, " säger Leonhard Grill. "Om vi ​​är utanför dessa kanaler, energiskt sett, då är laddningstransporten dramatiskt begränsad." Detta beteende har misstänkts under en tid, men Berlinforskarna har nu visat det på en enskild molekyl för första gången.

Grafenbanden är därför intressanta forskningsobjekt för fysikerna, men de är ännu inte särskilt lämpade för tillämpningar inom nanoelektronik. Ändå, ytterligare ett fynd från deras experiment pekar Berlin-forskarna i riktning mot en perfekt nanotråd:elektrontransportens natur beror på hur kanten på remsan bildas. Forskarna skiljer mellan en sicksack och en fåtöljstruktur. Med fåtöljstrukturen är kolatomerna arrangerade så att deras siluett liknar en rad med säten och armstöd, medan de med sicksackmönstret följer en enkel upp och ner.

Konduktansen ändras om tråden böjs

För att en sådan nanotråd verkligen ska uppvisa perfekt konduktans – oavsett molekyllängd – måste forskarna vid Fritz Haber Institute också ändra sitt experiment. När spetsen på det skanande tunnelmikroskopet lyfter grafenbandet från guldytan, remsan böjer sig något. Detta ändrar dess elektroniska egenskaper, precis som vatten rinner genom en rak flodbädd obehindrat, men upplever stark turbulens runt smala kurvor. "Vi har sett indikationer på att vi kan observera enastående konduktans i ett grafenband som inte är böjt, säger Leonhard Grill.

Fysikerna vill därför nu designa experiment som möjliggör konduktansmätningar med raka nanotrådar. Att bara mäta ett grafenband som ligger på en plan yta ger inte omedelbart det önskade resultatet. "I en experimentell uppställning som denna, ledningsförmågan hos kolremsan påverkas av ytan den ligger på, " förklarar Leonhard Grill. Hans grupp letar därför efter sätt att undvika dessa interaktioner. Dessutom, forskarna i Berlin vill undersöka molekylära trådar med olika strukturer och sammansättningar – alltid i syfte att få molekyler att göra aritmetiken, som Leonhard Grill förklarar:"Syftet med vårt arbete är att få en grundläggande insikt i de fysiska processerna i sådana system för att så småningom inte bara hitta den perfekta nanotråden, men också designa ytterligare elektroniska komponenter från enskilda molekyler."