Molekylär elektronik är ett spirande forskningsfält som syftar till att integrera enskilda molekyler som aktiva element i elektroniska enheter. Att få en fullständig bild av laddningstransportegenskaperna i molekylära korsningar är det första steget mot att förverkliga funktionalitet på nanoskala. Forskare från Delfts tekniska universitet har nu studerat laddningstransporten i ett nytt system, grafen mekanisk brytpunkt, vilket för första gången möjliggjorde direkt experimentell observation av kvantinterferenseffekter i tvåskiktsgrafen som en funktion av nanometerförskjutningar. Denna nya plattform kan potentiellt användas för elektronisk fingeravtryck av biomolekyler, från DNA till proteiner, vilket i sin tur kan få viktiga konsekvenser för diagnostik och behandling av sjukdomar.

Nanogaps som separerar två elektroder är tänkta som grunden för nästa generation av avkänningsteknologier. Syftet är att utnyttja kvantelektrontunnel som avkänningsprincip, där den elektroniska strukturen hos målmolekylen som fångas i nanogapet undersöks direkt. grafen, ett monolager av kolatomer i ett hexagonalt gitter, kombinerar många av kraven för ett elektriskt sensormaterial:hög konduktivitet, atomär tunnhet, flexibilitet, kemisk tröghet i luft och vätska, och mekanisk styrka, samt dess kompatibilitet med standardtekniker för litografisk mönstring.

Vid Kavli Institute of Nanoscience i Delft, en forskargrupp utvecklar robusta grafenbaserade mekaniskt styrda brytpunkter (MCBJs), som tillåter bildandet av ett storleksjusterbart tunnelgap på subnanometerskalan, dvs storleken kan skräddarsys till storleken på biomolekylen som ska sonderas.

Tänk på gapet

MCBJ-experimentet är konceptuellt mycket enkelt. Enheten består av en grafen fluga struktur stödd på ett flexibelt metall substrat. Underlaget böjs gradvis, orsakar sträckning av grafenet. Denna grafenbrygga går så småningom sönder och ett nanoskopiskt gap bildas. Viktigt, övergångskonduktansen kan omkopplas reversibelt med nästan sex storleksordningar under 1, 000 öppning-stängningscykler; dvs den fungerar som en elektrisk strömbrytare som kan slås av och på mekaniskt. Den imponerande mekaniska stabiliteten möjliggör insamling av statistiskt signifikanta data, fånga olika beteenden hos korsningarna över tid och i olika miljöer (t.ex. olika molekylorientering, i luft, Vakuum, flytande).

I samarbete med teorigruppen ledd av professor Jaime Ferrer vid universitetet i Oviedo (Spanien), forskarna bekräftade också interferensen av elektronvågor under mätningar i luft vid rumstemperatur. Fynden är ett viktigt steg för både grundläggande fysik och för framtida tillämpningar av grafen som en elektromekanisk switch eller biosensorplattform.

Elektronisk fingeravtryck

Grafen MCBJ är en unik enhet som å ena sidan är ett modellsystem för att studera kvanttransport vid rumstemperatur, och å andra sidan kan det vara ett kraftfullt avkänningsverktyg för att undersöka biomolekyler med mycket hög upplösning. Forskarna undersöker för närvarande potentialen för denna plattform för elektronisk fingeravtryck av biomolekyler, inklusive aminosyror och korta peptider:syftet är att särskilja molekyler med liten kemisk skillnad beroende på deras elektroniska struktur, som kan "läsas" när molekylerna fångas i nanogap. Detta skulle ge de första stegen till "tunnelbaserad" biosensing med grafen, en övertygande vision vid institutionerna för kvant- och bionanovetenskap vid TU Delft.

Forskningen finansierades delvis av Graphene Flagship.