(Phys.org)—Nanojonik är ett underområde av nanoteknik som handlar om fenomen i nanoskala som involverar migration av joner i fasta material. Än så länge, dock, begränsningen av jonströmmar till fördefinierade banor på ett sätt som liknar elektronernas rörelse i elektroniska ledares ledningar har inte undersökts.

För detta ändamål, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alexander Yoffe, Rivka Maoz, och Jacob Sagiv från avdelningen för material och gränssnitt vid Weizmann Institute of Science i Israel har utvecklat en proof-of-concept-metod för att göra specialdesignade jonledande ytmönster med hjälp av konstruktiv litografi och organosilan självmonterade monolager, tillämpas på olika metalljoner. Deras arbete redovisas i Naturmaterial .

Konstruktiv litografi involverar en elektrokemisk oxidativ reaktion mellan en konduktiv atomkraftmikroskopspets (AFM) och molekylerna fästa på en kiselskiva, vanligtvis som monolager. Detta möjliggör en precisionsnivå där man kan välja vilka molekyler som ska genomgå reaktionen och vilka som inte kommer att göra det. I den här studien, oganosilanmonoskikt bestående av Si-Cl ₃ ankare, en alifatisk kolryggrad, och en metyl (-CH ₃ ) terminala grupper oxideras selektivt med användning av konstruktiv litografi. Den metylterminala gruppen oxideras till en karboxylsyraterminalgrupp (-COOH), utan att byta ryggrad och ankare.

Konstruktiv litografi möjliggör skapandet av skarpa gränspunkter. Dessa gränser går mellan ytregioner befolkade av metyl-terminerade molekyler och de befolkade av karboxylsyra-terminerade molekyler. Elektroder av en given metall kan placeras på de karboxylsyraterminerade ytområdena vid sådana gränsställen, vilket skapar en karboxylbana för joner att resa.

För det inledande modellsystemet i denna forskning, Berson och Burshtain, et al. placerade silver (Ag) elektroder vid gränsställen, och körde sedan d.c. spänning genom elektroderna, på så sätt producerar mobila silverjoner. Deras mål var att se om Ag ⁺ joner skulle koordinera till de deprotonerade karboxylsyrorna, i huvudsak korsar längden av den specificerade vägen från anod till katod utan användning av en tillsatt elektrolyt.

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) verifierade att målterminalen –CH ₃ grupper omvandlas till –COOH utan att störa de andra segmenten av monoskiktet. Vidare, FTIR-avläsningar togs under en tidsperiod medan en d.c. spänning på 1 mV till 100 mV applicerades. Detta bekräftade att -COOH förlorade sin proton och bildade silverkarboxylatsaltet. XPS bekräftade att silverjonerna följde karboxylatvägen belägen mellan de två elektroderna och inte interagerade med de metylterminerade molekylerna. Resistensstudier klargjorde transporten av joner över kanaler av varierande längd och bredd.

Samma procedur följdes med titanelektroder istället för silverelektroder. Berson och Burshtain et al. tittade på ett system med titanelektroder som fungerar som anod och katod, och ett kombinationssystem med silver- och titanelektroder. FTIR bekräftade närvaron av Ti ⁴⁺ på ytan av systemet med titanelektroder. Det blandade elektrodsystemet visade bevis på att en katjon kan ersätta den andra på karboxylatytan samtidigt som den konkurrerar om tillgänglig –COO ^- webbplatser.

Arrhenius-plottar av silver- och titansystemet indikerar att en liknande ledningsmekanism förekommer i det blandade metallsystemet jämfört med det enda metallsystemet. Det finns en skillnad mellan titans aktiveringsenergi jämfört med silver, vilket författarna tror troligen beror på Ti ⁴⁺ koordinerar till fyra –COO ^- molekyler jämfört med Ag ⁺ koordinerar till en. Vidare, Ti ⁴⁺ bindning får en något mer kovalent karaktär än Ag ⁺ .

Medan de tidigare nämnda studierna gjordes i makroskala, nästa steg var att se om modellsystemet skulle fungera med nanokanalkonfigurationer. Författarna konstruerade ett system med två makrokanaler som var åtskilda av en nanokanal med silverelektroder som finns i makrokanalerna och ett annat system där silverelektroderna var på vardera sidan av en nanokanal.

Motståndsberäkningar och AFM-bilder visade att systemet med två makrokanaler åtskilda av en nanokanal uppförde sig på samma sätt som makrokanalerna. Dock, när elektroderna placerades på nanokanalens gränser, en tunn film av silver ackumulerat längs kanalen istället för vid katoden, troligtvis på grund av högre flödestäthet av joner i systemet och därför större möjlighet till kärnbildning och efterföljande silverfilamenttillväxt längs nanokanalvägen.

Denna forskning visar förmågan att skräddarsy jonledande ledande kanaler med hjälp av konstruktiv litografi på alkylsilanmonoskikt. Denna teknik är mångsidig genom att de ledande kanalerna kan rymma olika mobila joner som produceras genom att använda olika metaller kan användas för elektroderna.

Enligt Dr Sagiv, "Denna forskning visar det möjliga förverkligandet av en konceptuellt ny typ av generiskt fast joniskt material som kan vara formade jonledande kanaler med fördefinierade längder, bredder, och banor, lämplig för planerad transport av olika utvalda katjoner över avstånd som spänner över dimensioner från nanoskala till makroskala." han säger att de bredare implikationerna av denna forskning "förväntas möjliggöra tillverkning av uppgiftsdesignade jonkretsar och snabba jonomkopplare som är tillämpliga i framtida enheter baserade på nya sätt för informationsbearbetning och lagring."

© 2015 Phys.org