Ett team av forskare från Berkeley Lab och Columbia University har passerat en stor milstolpe inom molekylär elektronik med skapandet av världens enmolekylära diod med högsta prestanda. Jobbar på Berkeley Labs Molecular Foundry, en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science, teamet använde en kombination av guldelektroder och en jonisk lösning för att skapa en enmolekylär diod som överträffar det bästa av sina föregångare med en faktor 50.

"Med en enda symmetrisk molekyl, en jonlösning och två guldelektroder med dramatiskt olika exponerade ytareor, vi kunde skapa en diod som resulterade i ett likriktarförhållande, förhållandet mellan framåt- och bakåtström vid fast spänning, över 200, vilket är ett rekord för enheter med en molekyl, " säger Jeff Neaton, Direktör för Molecular Foundry, en senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och institutionen för fysik vid University of California Berkeley, och en medlem av Kavli Energy Nanoscience Institute i Berkeley (Kavli ENSI).

"Den asymmetri som krävs för diodbeteende har sitt ursprung i de olika exponerade elektrodområdena och jonlösningen, " säger han. "Detta leder till olika elektrostatiska miljöer som omger de två elektroderna och superlativt beteende av en molekylanordning."

Med "mindre och snabbare" som drivande mantra för elektronikindustrin, enkelmolekylära enheter representerar den yttersta gränsen för elektronisk miniatyrisering. 1974, molekylärelektronikpionjärerna Mark Ratner och Arieh Aviram teoretiserade att en asymmetrisk molekyl skulle kunna fungera som en likriktare, en envägsledare av elektrisk ström. Sedan dess, utveckling av funktionella enmolekylära elektroniska enheter har varit en stor strävan med dioder - en av de mest använda elektroniska komponenterna - som ligger överst på listan.

En typisk diod består av en kisel p-n-övergång mellan ett par elektroder (anod och katod) som fungerar som "ventil" för en elektrisk krets, styra strömflödet genom att låta det passera i endast en "framåtriktad" riktning. Asymmetrin hos en p-n-övergång ger elektronerna en "på/av"-transportmiljö. Forskare har tidigare skapat enmolekylära dioder antingen genom kemisk syntes av speciella asymmetriska molekyler som är analoga med en p-n-övergång; eller genom användning av symmetriska molekyler med olika metaller som de två elektroderna. Dock, de resulterande asymmetriska korsningarna gav låga korrigeringsförhållanden, och låg framåtström. Neaton och hans kollegor vid Columbia University har upptäckt ett sätt att åtgärda båda bristerna.

"Elektronflödet på molekylära längdskalor domineras av kvanttunnelering, " Neaton förklarar. "Effektiviteten i tunnlingsprocessen beror intimt på graden av inriktning av molekylens diskreta energinivåer med elektrodens kontinuerliga spektrum. I en molekylär likriktare, denna inriktning förbättras för positiv spänning, leder till en ökning av tunneldrivningen, och reduceras för negativ spänning. På Molecular Foundry utvecklade vi ett tillvägagångssätt för att noggrant beräkna energinivåjustering och tunnlingssannolikhet i enkelmolekylära korsningar. Denna metod tillät mig själv och Zhenfei Liu att förstå diodbeteendet kvantitativt."

I samarbete med Columbia Universitys Latha Venkataraman och Luis Campos och deras respektive forskargrupper, Neaton och Liu tillverkade en högpresterande likriktare från kopplingar gjorda av symmetriska molekyler med molekylär resonans i nästan perfekt linje med Fermi-elektronenerginivåerna i guldelektroderna. Symmetri bröts av en betydande skillnad i storleken på området på varje guldelektrod som exponerades för jonlösningen. På grund av det asymmetriska elektrodområdet, jonlösningen, och korsningens energinivåjustering, en positiv spänning ökar strömmen avsevärt; en negativ spänning undertrycker den lika mycket.

"Den joniska lösningen, kombinerat med asymmetri i elektrodområden, tillåter oss att kontrollera korsningens elektrostatiska miljö genom att helt enkelt ändra biaspolariteten, " säger Neaton. "Förutom att bryta symmetri, dubbla lager bildade av jonlösning genererar också dipolskillnader vid de två elektroderna, vilket är den underliggande orsaken bakom det asymmetriska skiftet av molekylär resonans. Columbia-gruppens experiment visade att med samma molekyl- och elektroduppställning, en nonjonisk lösning ger ingen korrigering alls."

Teamet från Berkeley Lab-Columbia University tror att deras nya tillvägagångssätt för en enmolekylär diod ger en allmän väg för att ställa in icke-linjära nanoskala-enhetsfenomen som skulle kunna tillämpas på system bortom enkelmolekylära korsningar och tvåterminala enheter.

"Vi förväntar oss att förståelsen från detta arbete kan tillämpas på jonisk vätskestyrning i andra sammanhang, och mekanismer som ska generaliseras till enheter tillverkade av tvådimensionella material, " säger Neaton. "Bortom enheter, dessa små molekylära kretsar är petriskålar för att avslöja och designa nya vägar för laddning och energiflöde på nanoskala. Det som är spännande för mig med detta område är dess multidisciplinära karaktär - behovet av både fysik och kemi - och den starka fördelaktiga kopplingen mellan experiment och teori.

"Med den ökande nivån av experimentell kontroll på enmolekylnivå, och förbättringar i teoretisk förståelse och beräkningshastighet och noggrannhet, vi är bara på toppen av isberget med vad vi kan förstå och kontrollera på dessa små längdskalor."

Neaton, Venkataraman och Campos är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i Naturens nanoteknik . Uppsatsen har titeln "Enkelmolekylära dioder med höga likriktningsförhållanden genom miljökontroll." Andra medförfattare är Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma Dell, Zhen-Fei Liu och Jeffrey Taylor.