Allt eftersom enheterna blir mindre och mindre, forskare stöter på gränserna för hur liten man kan konstruera en krets med bulkmaterial. Molekylära kretsar erbjuder en möjlig lösning för att övervinna dessa storleksbegränsningar, och har lett till ett växande område som slår samman kemi med elektronik.
En studie från huvudförfattaren Timothy A. Su och ett team från Columbia University rapporterar om den första i sitt slag en molekylomkopplare med två distinkta konduktansfaser som är baserad på molekylens två stereoisomerer. Deras arbete dök upp i Naturkemi .
Konduktivitet är baserad på elektronernas rörelse. Metaller är mycket ledande eftersom elektroner lätt passerar genom materialet. Icke-metalliska molekyler, som alkaner, är också ledande, men har lägre konduktivitet än metaller eftersom elektroner inte färdas lika lätt genom sigma-bindningsnätverket. Dock, dessa långkedjiga icke-metaller är attraktiva för molekylära kretsar på grund av deras syntetiska och geometriska mångsidighet. Oligosilaner erbjuder ett bättre alternativ för elektronmobilitet på grund av ökad sigma-delokalisering längs Si-Si-bindningarna, samtidigt som den syntetiska och geometriska mångsidigheten bibehålls som gör alkaner attraktiva.
Su et al. testade olika silaner (permetyloligosilaner) med metyltiometylsubstituenter på vardera änden av oligosilanmolekylen. De testade konduktansen hos [SiMe 2 ] n där n representerar från en till tio permetylsilaner. Konduktansen testades med användning av skanningstunnelmikroskopets break junction, liknar att fästa de terminala metyltiolmetylerna till guldelektroder i molekylstorlek så att molekylen överbryggas en Au-[SiMe 2 ] n -Au mode. Konduktansen mättes i förhållande till oligosilanens längd och i förhållande till avståndet mellan guld STM-spetsen och elektroden, eller då oligosilanen systematiskt expanderades och komprimerades mellan de två guldytorna.
Resultat från att testa de olika längderna av oligosilaner visade minskad konduktivitet när molekylens längd ökar. Denna "längdberoende konduktansavklingning" är en förväntad egenskap hos långkedjiga icke-metaller och har observerats i alkaner, också.
Dock, till skillnad från alkaner, i alla oligosilanerna skedde en abrupt förändring från låg till hög konduktans när avståndet mellan elektroderna ökar. Man skulle förvänta sig att konduktansen skulle minska när avståndet mellan guldspetsen och elektroden ökade. Dessutom, denna plötsliga förändring var med en faktor två för alla oligosilaner, oavsett längd på kiselkedjan. Längden på lågkonduktansplatån ökade när längden av oligosilan ökade, men längden på högkonduktansplatån var densamma för alla molekyler, indikerade att detta tillstånd berodde på ett gemensamt särdrag i alla molekylerna och inte var relaterat till längden på oligosilankedjan.
Denna distinkt ledningsförmåga i två tillstånd berodde sannolikt på de terminala dihedriska vinklarna som bildas av Au-S-C-Si-bindningarna eftersom denna egenskap var densamma för alla molekyler. För att bekräfta att förändringen i konduktans berodde på stereoelektroniska effekter, Su et al. genomförde DFT-analys för att bestämma den lägsta energikonformationen av deras oligosilan på olika avstånd mellan två guldatomer. De använde [Au-Si(4)-Au] 2+ struktur som deras testmolekyl för att efterlikna de elektroniska effekterna av STM-systemet. För detta experiment, de började med guldatomer på ett avstånd som skulle ge dihedriska vinklar i en antikonformation utan begränsningar och ökade avståndet mellan guldatomerna med steg om 0,25 Ångström.
De fann att avståndet mellan guldatomerna spelar en avgörande roll i molekylär konformation och därför på oligosilanens ledningsförmåga. Under tillståndet med låg konduktans, Me-S-bindningen är antiperiplanär (Au-S-bindningen är vinkelrät) mot metylsilanbindningen, eller i en antikonformation. Vid övergången till hög konduktans, Me-S-bindningen är vinkelrät (Au-S-bindningen är antiperiplanär) mot metylsilanbindningen, eller i ortokonformation.
Antikonformationen övervinner sterisk belastning, men ortokonformationen övervinner den mekaniska belastningen från elektrodseparation. Antikonformationen har Au-S orbitaler som är vinkelräta mot planet för Si-Si-bindningarna, hindrar elektrontunnlar genom molekylen, medan ortokonformationen har Au-S-orbitaler som ligger i linje med samma plan som Si-Si-bindningarna, möjliggör större elektronmobilitet genom sigma-bindningsnätverket.
Elektrokemisk omkoppling sker vid ett specifikt Au-Au-avstånd för var och en av oligosilanerna, och konduktansförändringar i realtid i förhållande till avstånd. Vidare, den molekylära omkopplaren har två diskreta konduktanstillstånd, i motsats till en tredje övergångsstat. Även om det finns en punkt när en terminal dihedrisk bindning är i en ortokonformation och den andra är en antikonformation, konduktansen förblir i det låga tillståndet tills båda bindningarna är i ortokonformationen, vilket gör detta till en sann binär switch baserad på stereoelektroniska effekter.
© 2015 Phys.org
