Ett stort mål inom molekylär elektronik, som syftar till att använda enskilda molekyler som elektroniska komponenter, är att göra en enhet där en kvantiserad, kontrollerbart laddningsflöde kan uppnås vid rumstemperatur. Ett första steg inom detta område är för forskare att visa att enstaka molekyler kan fungera som reproducerbara kretselement som transistorer eller dioder som enkelt kan fungera i rumstemperatur.

Ett lag under ledning av Latha Venkataraman, professor i tillämpad fysik och kemi vid Columbia Engineering och Xavier Roy, biträdande professor i kemi (Arts &Sciences), publicerat en studie i Naturens nanoteknik det är den första som reproducerbart demonstrerar strömblockad - förmågan att byta en enhet från det isolerande till det ledande tillståndet där laddning läggs till och avlägsnas en elektron i taget - med hjälp av atomärt exakta molekylära kluster vid rumstemperatur.

Bonnie Choi, en doktorand i Roy-gruppen och medförfattare till verket, skapade ett enda kluster av geometriskt ordnade atomer med en oorganisk kärna gjord av bara 14 atomer – vilket resulterade i en diameter på cirka 0,5 nanometer – och placerade länkar som kopplade kärnan till två guldelektroder, ungefär som ett motstånd löds fast vid två metallelektroder för att bilda en makroskopisk elektrisk krets (t.ex. glödtråden i en glödlampa).

Forskarna använde en scanning tunneling mikroskop teknik som de har banat väg för att göra korsningar som består av ett enda kluster kopplat till de två guldelektroderna, vilket gjorde det möjligt för dem att karakterisera dess elektriska respons när de varierade den applicerade förspänningen. Tekniken tillåter dem att tillverka och mäta tusentals korsningar med reproducerbara transportegenskaper.

"Vi fann att dessa kluster kan fungera mycket bra som dioder i rumstemperatur i nanoskala vars elektriska respons vi kan skräddarsy genom att ändra deras kemiska sammansättning, " säger Venkataraman. "Teoretiskt sett, en enda atom är den minsta gränsen, men enkelatomsanordningar kan inte tillverkas och stabiliseras vid rumstemperatur. Med dessa molekylära kluster, vi har fullständig kontroll över deras struktur med atomprecision och kan ändra grundkompositionen och strukturen på ett kontrollerbart sätt för att framkalla viss elektrisk respons. "

Ett antal studier har använt kvantprickar för att producera liknande effekter, men eftersom prickarna är mycket större och inte är enhetliga i storlek, på grund av arten av deras syntes, resultaten har inte varit reproducerbara – inte alla enheter gjorda med kvantprickar betedde sig på samma sätt. Venkataraman-Roy-teamet arbetade med mindre oorganiska molekylkluster som var identiska i form och storlek, så de visste exakt – ner till atomskalan – vad de mätte.

"De flesta av de andra studierna skapade enkelmolekylanordningar som fungerade som enelektrontransistorer vid fyra grader Kelvin, men för alla verkliga tillämpningar, dessa enheter måste fungera i rumstemperatur. Och det gör vi, " säger Giacomo Lovat, en postdoktor och medförfattare till artikeln. "Vi har byggt en transistor i molekylär skala med flera tillstånd och funktioner, där vi har kontroll över den exakta mängden laddning som flödar igenom. Det är fascinerande att se att enkla kemiska förändringar i en molekyl, kan ha en djupgående inverkan på molekylers elektroniska struktur, leder till olika elektriska egenskaper."

Teamet utvärderade diodens prestanda genom till/från -förhållandet, vilket är förhållandet mellan den ström som strömmar genom enheten när den slås på och den kvarvarande strömmen fortfarande finns i dess "av" -läge. Vid rumstemperatur, de observerade ett på/av-förhållande på cirka 600 i enkelklusterkorsningar, högre än någon annan enhet med en enda molekyl som uppmätts hittills. Särskilt intressant var det faktum att dessa korsningar kännetecknades av ett "sekventiellt" laddningsflöde; varje elektron som passerar genom en klusterövergång stannade på klustret ett tag. Vanligtvis, i små molekylövergångar, elektroner som "skjuts" genom korsningen av den applicerade förspänningen gör språnget kontinuerligt, från en elektrod till den andra, så att antalet elektroner på molekylen vid varje tidpunkt inte är väldefinierat.

"Vi säger att klustret blir "laddat" eftersom, under ett kort tidsintervall innan den transiterande elektronen hoppar av i den andra metallelektroden, den lagrar en extra kostnad, " säger Roy. "Så sekventiellt, eller diskret, ledningsläget beror på klustrets speciella elektroniska struktur som begränsar elektroner i starkt lokaliserade orbitaler. Dessa orbitaler står också för den observerade "nuvarande blockad" -regimen när en låg förspänning appliceras på en klusterkorsning. Strömmen sjunker till ett mycket litet värde vid låg spänning eftersom elektroner i metallkontakten inte har tillräckligt med energi för att ockupera en av klustrets orbitaler. När spänningen ökar, den första klusteromloppsbanan som blir energiskt tillgänglig öppnar en gångbar väg för elektroner som nu kan hoppa på och från klustret, resulterar i på varandra följande "laddnings" och "urladdningshändelser". Blockaden hävs, och ström börjar flyta över korsningen."

Forskarna skräddarsydda klustren för att undersöka effekterna av sammansättningsförändringar på klustrens elektriska respons och planerar att bygga vidare på deras första studie. De kommer att designa förbättrade klustersystem med bättre elektriska prestanda (t.ex. högre på/av-strömförhållande, olika tillgängliga tillstånd), och öka antalet atomer i klusterkärnan samtidigt som föreningens atomprecision och enhetlighet bibehålls. Detta skulle öka antalet energinivåer, var och en motsvarar en viss elektronbana som de kan komma åt med sitt spänningsfönster. Att öka energinivåerna skulle påverka enhetens på/av-förhållande, kanske också minska effekten som behövs för att slå på enheten om fler energinivåer blir tillgängliga för transiterande elektroner vid låga förspänningar.

"De flesta enkelmolekyltransportundersökningar har utförts på enkla organiska molekyler eftersom de är lättare att arbeta med, " Venkataraman noterar. "Vårt samarbete här genom Columbia Nano Initiative överbryggar kemi och fysik, gör det möjligt för oss att experimentera med nya föreningar, såsom dessa molekylära kluster, som kanske inte bara är mer syntetiskt utmanande, men också mer intressant som elektriska komponenter."