Under ledning av Latha Venkataraman, docent i tillämpad fysik vid Columbia Engineering, forskare har utformat en ny teknik för att skapa en enmolekylerad diod, och, genom att göra så, de har utvecklat molekylära dioder som fungerar 50 gånger bättre än alla tidigare konstruktioner. Venkataramans grupp är den första att utveckla en enmolekylerad diod som kan ha verkliga tekniska tillämpningar för nanoskalaenheter. Deras papper, "Enmolekylära dioder med höga på-av-förhållanden genom miljöstyrning, "publiceras den 25 maj Naturnanoteknik .

"Vårt nya tillvägagångssätt skapade en enmolekylerad diod som har en hög (> 250) rättelse och hög "på" ström (~ 0,1 mikro ampere), "säger Venkataraman." Att konstruera en enhet där de aktiva elementen bara är en enda molekyl har länge varit en spännande dröm inom nanovetenskap. Det här målet, som har varit molekylärelektronikens "heliga gral" ända sedan starten med Aviram och Ratners seminarium 1974, representerar det ultimata inom funktionell miniatyrisering som kan uppnås för en elektronisk enhet. "

Med elektroniska enheter som blir mindre för varje dag, området molekylär elektronik har blivit allt mer kritiskt för att lösa problemet med ytterligare miniatyrisering, och enstaka molekyler representerar gränsen för miniatyrisering. Idén att skapa en enmolekylerad diod föreslogs av Arieh Aviram och Mark Ratner som teoretiserade 1974 att en molekyl skulle kunna fungera som likriktare, en envägs ledare för elektrisk ström. Forskare har sedan dess undersökt molekylernas laddningstransportegenskaper. De har visat att enkelmolekyler fästa vid metallelektroder (enmolekylära övergångar) kan fås att fungera som en mängd olika kretselement, inklusive motstånd, omkopplare, transistorer, och, verkligen, dioder. De har lärt sig att det är möjligt att se kvantmekaniska effekter, som störningar, manifesteras i konduktansegenskaperna hos molekylära övergångar.

Eftersom en diod fungerar som en elventil, dess struktur måste vara asymmetrisk så att elektricitet som flyter i ena riktningen upplever en annan miljö än elektricitet som flyter i den andra riktningen. För att utveckla en enmolekylerad diod, forskare har helt enkelt utformat molekyler som har asymmetriska strukturer.

"Även om sådana asymmetriska molekyler verkligen visar några diodliknande egenskaper, de är inte effektiva, "förklarar Brian Capozzi, en doktorand som arbetar med Venkataraman och huvudförfattare till tidningen. "En väldesignad diod bör bara tillåta ström att flöda i en riktning-" på "-riktningen-och den bör låta mycket ström flöda i den riktningen. Asymmetriska molekylära konstruktioner har vanligtvis lidit av mycket lågt strömflöde i båda" på 'och' av 'riktningar, och förhållandet mellan strömflödet i de två har vanligtvis varit lågt. Helst, förhållandet "på" ström till "av" ström, rättelseförhållandet, borde vara mycket hög. "

För att övervinna problemen i samband med asymmetrisk molekylär design, Venkataraman och hennes kollegor - kemiassistentprofessor Luis Campos grupp vid Columbia och Jeffrey Neatons grupp vid Molecular Foundry vid UC Berkeley - fokuserade på att utveckla en asymmetri i miljön kring molekylkorsningen. De skapade en miljöasymmetri genom en ganska enkel metod - de omgav den aktiva molekylen med en jonisk lösning och använde guldmetallelektroder av olika storlekar för att komma i kontakt med molekylen.

Deras resultat uppnådde rättelseförhållanden så höga som 250:50 gånger högre än tidigare konstruktioner. Strömflödet "på" i deras enheter kan vara mer än 0,1 mikroampere, som, Venkataraman noterar, är mycket ström att passera genom en enda molekyl. Och, eftersom denna nya teknik är så lätt att implementera, den kan appliceras på alla nanoskala enheter av alla typer, inklusive de som är gjorda med grafenelektroder.

"Det är fantastiskt att kunna designa en molekylär krets, använder begrepp från kemi och fysik, och få det att göra något funktionellt, "Säger Venkataraman." Längdskalan är så liten att kvantmekaniska effekter är absolut en avgörande aspekt av enheten. Så det är verkligen en triumf att kunna skapa något som du aldrig fysiskt kommer att kunna se och som beter sig som avsett. "

Hon och hennes team arbetar nu med att förstå den grundläggande fysiken bakom deras upptäckt, och försöker öka de korrigeringsförhållanden de observerade, använder nya molekylära system.