Korsningarna och mekanismen för rättelse. en, Molekylär struktur av HSC 15 Fc–C≡C–Fc. b, Schematisk illustration av korsningarna, där α är lutningsvinkeln för enheten Fc–C≡C–Fc. Dubbla pilar indikerar Coulomb- eller van der Waals-interaktionen mellan Fc–C≡C–Fc-enheten och den negativt eller positivt förspända toppelektroden, respektive. c, Energinivådiagram vid negativ och positiv bias, där pilarna indikerar mekanismen för laddningstransport och n(V) är funktionen som beskriver det förspänningsberoende antalet molekyler som är involverade i laddningstransporten. Kreditera: Naturens nanoteknik (2017). DOI:10.1038/nnano.2017.110
Ett internationellt forskarlag som inkluderar University of Central Florida professor Enrique del Barco, Damien Thompson från University of Limerick och Christian A. Nijhuis från National University of Singapore har spräckt en viktig begränsning som i nästan 20 år har förhindrat praktisk användning av molekylära dioder.
Elektriska kretsar är de grundläggande byggstenarna i modern elektronik, med komponenter som styr strömmen. En av dessa komponenter är dioden, som tillåter strömflöde i en riktning samtidigt som det blockerar det motsatta flödet.
Kretsarna som finns överallt i elektroniska enheter världen över är kiselbaserade. Men forskare har länge försökt att duplicera kapaciteten hos kiselbaserade kretsar på molekylär nivå. Molekylär elektronik använder enstaka molekyler eller samlingar av enstaka molekyler i nanoskala som elektroniska komponenter. Det skulle möjliggöra en aldrig tidigare skådad miniatyrisering av datorer och annan elektronik.
Dioder kännetecknas av deras likriktningsförhållande, vilket är hastigheten mellan ström för positiv och negativ elektrisk förspänning. Likriktningsförhållandena för kommersiella kiselbaserade dioder har likriktningsförhållanden mellan 10 5 och 10 8 .
Ju högre korrigeringsgrad, desto mer exakt styrning av ström. Så, i nästan 20 år utan framgång, forskare har försökt att designa molekylära dioder som matchar eller överstiger det likriktningsförhållandet. En grundläggande teoretisk begränsning av en enskild molekyl hade begränsade molekylära dioder till likriktningsförhållanden som inte var högre än 10 3 — långt ifrån de kommersiella värdena för kiselbaserade dioder.
Nu, som rapporterades måndag i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik , ett team av vetenskapsmän ledda av Nijhuis har visat ett sätt att nå ett korrigeringsförhållande som hade ansetts vara en teoretisk omöjlighet.
Forskarna kunde bilda makroskaliga tunnelkorsningar baserade på ett enda lager av molekylära dioder. Antalet molekyler som leder ström i dessa kopplingar ändras med förspänningens polaritet, multiplicerar sålunda det inneboende rektifikationsförhållandet för en individuell molekyl för framåtförspänning med tre storleksordningar. Deras metod övervann 10:an 3 begränsning, vilket resulterar i ett rekordhögt korrigeringsförhållande på 6,3 x 10 5 .
"Det överskred den gräns som teorin ställer. Definitivt, du har nu en molekylär diod som svarar jämförbart med kiselbaserade dioder, sa del Barco, en fysiker som tolkade datan och utförde den teoretiska modelleringen som förklarade hur det fungerar. "Det flyttar något som bara var vetenskap till en kommersiell möjlighet."
Genombrottet kommer sannolikt inte att ersätta kiseldioder, men skulle så småningom kunna åstadkomma användningen av molekylära dioder för applikationer som kiseldioder inte kan hantera. Och molekylära dioder, som kan tillverkas i ett kemilabb, skulle vara billigare och lättare att tillverka än vanliga dioder.
