Forskare står inför ett antal hinder när de försöker utveckla kretsar av mikroskopisk storlek, inklusive hur man på ett tillförlitligt sätt kan styra strömmen som flyter genom en krets som är bredden på en enda molekyl.

Alexander Shestopalov, en biträdande professor i kemiteknik vid University of Rochester, har gjort just det, och tar oss därmed ett steg närmare nanoskala kretsar.

"Tills nu, forskare har inte kunnat på ett tillförlitligt sätt styra en laddning från en molekyl till en annan, "sa Shestopalov." Men det är precis vad vi behöver göra när vi arbetar med elektroniska kretsar som är en eller två molekyler tunna. "

Shestopalov arbetade med en OLED (organisk ljusemitterande diod) som drivs av en mikroskopiskt liten, enkel krets där han kopplade ett tunnmolekylärt tunt ark organiskt material mellan positiva och negativa elektroder. Nyligen publicerade forskningspublikationer har visat att det är svårt att styra strömmen som går genom kretsen från en elektrod till den andra i en sådan tunn krets. Som Shestopalov förklarar i ett papper publicerat i tidningen Avancerade materialgränssnitt , nyckeln var att lägga till en andra, inert lager av molekyler.

Det inerta eller icke-reaktiva skiktet består av en rak kedja av organiska molekyler. Ovanpå fungerar ett lager aromatiska-eller ringformade-molekyler som en tråd som leder den elektroniska laddningen. Det inerta skiktet, i själva verket, fungerar som plasthöljet på elektriska ledningar genom att isolera och separera de levande ledningarna från den omgivande miljön. Eftersom bottenlagret inte kan reagera med det överlappande skiktet, komponentens elektroniska egenskaper bestäms enbart i toppskiktet.

Tvåskiktsarrangemanget gav också Shestopalov möjligheten att finjustera sin kontroll över laddningsöverföringen. Genom att ändra de funktionella grupperna - atomenheter som ersätter väte i molekyler och bestämmer en molekyls karakteristiska kemiska reaktivitet - kunde han mer exakt påverka hastigheten med vilken strömmen rörde sig mellan elektroderna och det övre lagret av organiska molekyler.

I molekylära elektroniska enheter, vissa funktionella grupper påskyndar laddningsöverföringen, medan andra saktar ner det. Genom att införliva det inerta lagret av molekyler, Shestopalov kunde minska eventuella störningar av toppskiktet och som ett resultat, uppnå den exakta laddningsöverföring som behövs i en enhet genom att ändra den funktionella gruppen.

Till exempel, en OLED kan behöva en snabbare laddningsöverföring för att upprätthålla en specifik luminescens, medan en biomedicinsk injektionsanordning kan kräva en långsammare hastighet för känsliga eller variabla förfaranden.

Medan Shestopalov övervann ett betydande hinder, det återstår mycket arbete innan molekylära elektroniska apparater med två lager blir praktiska. Nästa hinder är hållbarhet.

"Systemet vi utvecklade försämras snabbt vid höga temperaturer, "sa Shestopalov." Det vi behöver är enheter som håller i flera år, och det kommer att ta tid att uppnå det.