Ett internationellt team av forskare ledda av National Physical Laboratory (NPL) och universitetet i Bern har avslöjat ett nytt sätt att ställa in funktionaliteten hos nästa generations molekylära elektroniska enheter med grafen. Resultaten skulle kunna utnyttjas för att utveckla mindre, högpresterande enheter för användning i en rad applikationer inklusive molekylär avkänning, flexibel elektronik, och energiomvandling och lagring, samt robusta mätinställningar för motståndsstandarder.

Området för molekylär elektronik i nanoskala syftar till att utnyttja enskilda molekyler som byggstenar för elektroniska enheter, för att förbättra funktionaliteten och göra det möjligt för utvecklare att uppnå en aldrig tidigare skådad nivå av enhetsminiatyrisering och kontroll. Det främsta hindret som hindrar framsteg på detta område är frånvaron av stabila kontakter mellan molekylerna och metallerna som används som både kan fungera vid rumstemperatur och ge reproducerbara resultat.

Grafen har inte bara utmärkt mekanisk stabilitet, men också exceptionellt höga elektroniska och värmeledande egenskaper, vilket gör det framväxande 2D-materialet mycket attraktivt för en rad möjliga tillämpningar inom molekylär elektronik.

Ett team av experimentalister från universitetet i Bern och teoretiker från NPL (UK) och universitetet i Baskien (UPV/EHU, Spanien), med hjälp av medarbetare från Chuo University (Japan), har visat stabiliteten hos flerskiktsgrafenbaserade molekylära elektroniska enheter ner till gränsen för en enda molekyl.

Resultaten, redovisas i tidskriften Vetenskapens framsteg , representerar ett stort steg i utvecklingen av grafenbaserad molekylär elektronik, med de reproducerbara egenskaperna hos kovalenta kontakter mellan molekyler och grafen (även vid rumstemperatur) som övervinner begränsningarna hos nuvarande toppmoderna teknologier baserade på myntmetaller.

Förbinder enstaka molekyler

Adsorption av specifika molekyler på grafenbaserade elektroniska enheter gör att enhetens funktionalitet kan ställas in, främst genom att modifiera dess elektriska motstånd. Dock, det är svårt att relatera enhetens övergripande egenskaper till egenskaperna hos de individuella molekylerna som adsorberas, eftersom genomsnittliga kvantiteter inte kan identifiera eventuellt stora variationer över grafenens yta.

Dr Alexander Rudnev och Dr Veerabhadrarao Kaliginedi, från Institutionen för kemi och biokemi vid universitetet i Bern, utförde mätningar av den elektriska strömmen som flyter genom enstaka molekyler fästa vid grafit- eller flerskiktsgrafenelektroder med hjälp av en unik experimentell teknik med lågt brus, vilket gjorde det möjligt för dem att lösa dessa molekyl-till-molekyl-variationer.

Guidad av de teoretiska beräkningarna av Dr Ivan Rungger (NPL) och Dr Andrea Droghetti (UPV/EHU), de visade att variationerna på grafitytan är mycket små och att naturen av den kemiska kontakten mellan en molekyl och det översta grafenskiktet dikterar funktionaliteten hos elektroniska enheter med en enda molekyl.

"Vi finner att genom att noggrant utforma den kemiska kontakten mellan molekyler och grafenbaserade material, vi kan justera deras funktionalitet, " sa Dr Rungger. "Våra enmolekylära dioder visade att likriktningen av elektrisk ström verkligen kan ändras genom att ändra karaktären på kemisk kontakt för varje molekyl, " tillade Dr Rudnev.

"Vi är övertygade om att våra fynd representerar ett viktigt steg mot det praktiska utnyttjandet av molekylära elektroniska enheter, och vi förväntar oss en betydande förändring i forskningsfältets riktning efter vår väg med rumstemperaturstabil kemisk bindning, " sammanfattade Dr Kaliginedi.

Resultaten kommer också att hjälpa forskare som arbetar med forskning inom elektrokatalys och energiomvandling att designa grafen-/molekylgränssnitt i sina experimentsystem för att förbättra effektiviteten hos katalysatorn eller enheten.