Ett internationellt team ledd av forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University slog sig samman med två offbeat kolmolekyler - diamantoider, de fyrkantiga burarna till vänster, och buckyballs, fotbollsbollens former till höger -- för att skapa "buckydiamondoids, Dessa hybridmolekyler fungerar som likriktare, leder elektroner i endast en riktning, och kan hjälpa till att bana väg för molekylära elektroniska enheter. Kredit:Manoharan Lab/Stanford University
Forskare har gift sig med två okonventionella former av kol – en formad som en fotboll, den andra en liten diamant – för att göra en molekyl som leder elektricitet i endast en riktning. Denna lilla elektroniska komponent, känd som en likriktare, kan spela en nyckelroll i att krympa chipkomponenter ner till molekylstorlek för att möjliggöra snabbare, mer kraftfulla enheter.
"Vi ville se vad nytt, framväxande egenskaper kan komma fram när du sätter dessa två ingredienser tillsammans för att skapa en "buckydiamondoid, ", sa Hari Manoharan från Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. "Det vi fick var en i princip en envägsventil för att leda elektricitet – klart mer än summan av dess delar."
Forskargruppen, som inkluderade forskare från Stanford University, Belgien, Tyskland och Ukraina, rapporterade sina resultat 9 september, 2014 in Naturkommunikation .
Två offbeat Carbon-karaktärer möts
Många elektroniska kretsar har tre grundläggande komponenter:ett material som leder elektroner; likriktare, som vanligtvis har formen av dioder, att styra det flödet i en enda riktning; och transistorer för att slå på och av flödet. Forskare kombinerade två ovanliga ingredienser – buckyballs och diamondoids – för att skapa den nya diodliknande komponenten.
Buckyballs – förkortning för buckminsterfullerenes – är ihåliga kolsfärer vars upptäckt 1985 gav tre forskare ett Nobelpris i kemi. Diamantoider är små kolburar som är sammanbundna som de är i diamanter, men väger mindre än en miljarddels miljarddels karat. Båda är föremål för mycket forskning som syftar till att förstå deras egenskaper och hitta sätt att använda dem.
Under 2007, ett team ledd av forskare från SLAC och Stanford upptäckte att ett enda lager av diamantoider på en metallyta effektivt kan sända ut en elektronstråle. Manoharan och hans kollegor undrade:Vad skulle hända om de parade ihop en elektronemitterande diamantoid med en annan molekyl som gillar att fånga elektroner? Buckyballs är precis den sortens elektrongripande molekyl.
En bild gjord med ett scanning tunnelmikroskop visar hybrid buckydiamondoid molekyler på en guldyta. Buckyballänden av varje molekyl är fäst vid ytan, med den diamantformade änden stickande upp; båda syns tydligt. Området som visas här är 5 nanometer på en sida. Kredit:H. Manoharan et al., Naturkommunikation
En mycket liten ventil för kanalisering av elektronflöde
För denna studie, diamantoider producerades i SLAC-laboratoriet av SIMES-forskarna Jeremy Dahl och Robert Carlson, som är världsexperter på att utvinna de små diamanterna från petroleum. De skickades sedan till Tyskland, där kemister vid Justus-Liebig University kom på hur man fäster dem på buckyballs.
De resulterande buckydiamondoiderna, som bara är några nanometer långa, testades i SIMES-laboratorier i Stanford. Ett team ledd av doktoranden Jason Randel och postdoktorn Francis Niestemski använde ett scanning tunnelmikroskop för att göra bilder av hybridmolekylerna och mäta deras elektroniska beteende. De upptäckte att hybriden är en utmärkt likriktare:den elektriska strömmen som flödade genom molekylen var upp till 50 gånger starkare i en riktning, från elektronspottande diamantform till elektronfångande buckyball, än i motsatt riktning. Detta är något som ingen av komponenterna kan göra på egen hand.
Detta är en illustration av en buckydiamondoid molekyl under ett scanning tunneling microscope (STM). Den vassa metalliska spetsen på STM slutar i en enda atom; när den skannar över ett prov, elektrontunnel från spetsen in i provet. I denna studie gjorde STM bilder av buckydiamondoiderna och undersökte deras elektroniska egenskaper. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Även om detta inte är den första molekylära likriktaren som någonsin uppfunnits, det är den första gjord av bara kol och väte, en enkelhet som forskare finner tilltalande, sa Manoharan, som är docent i fysik vid Stanford. Nästa steg, han sa, är att se om transistorer kan konstrueras av samma grundläggande ingredienser.
"Buckyballs är lätta att göra - de kan isoleras från sot - och den typ av diamantoid vi använde här, som består av två små burar, kan köpas kommersiellt, " sa han. "Och nu när våra kollegor i Tyskland har kommit på hur de ska binda ihop dem, andra kan följa receptet. Så medan vår forskning syftade till att få grundläggande insikter om en ny hybridmolekyl, det kan leda till framsteg som hjälper till att göra molekylär elektronik till verklighet."
