Ett internationellt team av fysiker har använt ett avsökningstunnelmikroskop för att skapa en liten transistor som består av en enda molekyl och ett litet antal atomer. Den observerade transistorverkan skiljer sig markant från det konventionellt förväntade beteendet och kan vara viktigt för framtida enhetsteknologier såväl som för grundläggande studier av elektrontransport i molekylära nanostrukturer. Fysikerna representerar Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) och Freie Universität Berlin (FUB), Tyskland, NTT Basic Research Laboratories (NTT-BRL), Japan, och U.S. Naval Research Laboratory (NRL). Deras fullständiga resultat publiceras i numret av den 13 juli 2015 av tidskriften Naturfysik .

Transistorer har ett kanalområde mellan två externa kontakter och en elektrisk grindelektrod för att modulera strömflödet genom kanalen. I transistorer i atomskala, denna ström är extremt känslig för enskilda elektroner som hoppar via diskreta energinivåer. I tidigare studier, forskare har undersökt enkelelektrontransport i molekylära transistorer med hjälp av top-down-metoder, såsom litografi och brytpunkter. Men atomärt exakt styrning av grinden - vilket är avgörande för transistorverkan på de minsta skalorna - är inte möjlig med dessa tillvägagångssätt.

Teamet använde ett mycket stabilt scanning tunneling microscope (STM) för att skapa en transistor bestående av en enda organisk molekyl och positivt laddade metallatomer, placera dem med STM-spetsen på ytan av en indiumarsenid (InAs) kristall. Dr Kiyoshi Kanisawa, en fysiker vid NTT-BRL, använde tillväxttekniken för molekylär strålepitaxi för att förbereda denna yta. Senare, STM-metoden gjorde det möjligt för forskarna att sätta ihop elektriska grindar från +1 laddade atomer med atomär precision och sedan placera molekylen på olika önskade positioner nära grindarna. Dr Stefan Fölsch, en fysiker vid PDI som ledde laget, förklarade att "molekylen är endast svagt bunden till InAs-mallen. Så, när vi för STM-spetsen väldigt nära molekylen och applicerar en förspänning på spets-prov-övergången, enstaka elektroner kan tunnla mellan mall och spets genom att hoppa via nästan ostörda molekylära orbitaler, liknar arbetsprincipen för en kvantpunkt som är gatad av en extern elektrod. I vårat fall, de laddade atomerna i närheten ger den elektrostatiska grindpotentialen som reglerar elektronflödet och laddningstillståndet för molekylen."

Men det finns en väsentlig skillnad mellan en konventionell halvledarkvantprick - som vanligtvis består av hundratals eller tusentals atomer - och det nuvarande fallet med en ytbunden molekyl. Dr Steven Erwin, en fysiker vid Center for Computational Materials Science vid NRL och expert på densitetsfunktionsteori, påpekade att, "molekylen antar olika rotationsorientering, beroende på dess laddningstillstånd. Vi förutspådde detta baserat på första principberäkningar och bekräftade det genom att avbilda molekylen med STM."

Denna koppling mellan laddning och orientering har en dramatisk effekt på elektronflödet över molekylen, manifesteras av ett stort konduktansgap vid låga förspänningar. Dr Piet Brouwer, en fysiker vid FUB och expert på kvanttransportteori, sa, "Detta spännande beteende går utöver den etablerade bilden av laddningstransport genom en gated quantum dot. Istället, vi utvecklade en generisk modell som står för den kopplade elektroniska och orienteringsdynamiken hos molekylen." Denna enkla och fysiskt transparenta modell reproducerar helt de experimentellt observerade enmolekylära transistoregenskaperna.

Den perfektion och reproducerbarhet som erbjuds av dessa STM-genererade transistorer kommer att göra det möjligt för forskare att utforska elementära processer som involverar strömflöde genom enskilda molekyler på en grundläggande nivå. Att förstå och kontrollera dessa processer – och de nya typer av beteende som de kan leda till – kommer att vara viktigt för att integrera molekylbaserade enheter med befintliga halvledarteknologier.