Konduktiviteten hos grafen har gjort det till ett mål för många forskare som vill utnyttja det för att skapa enheter i molekylär skala och nu har ett forskarlag som leds av University of Warwick och EMPA hittat en väg förbi ett frustrerande problem med stabilitet och reproducerbarhet som innebar att grafenbaserade korsningar var antingen mekaniskt stabila eller elektriskt stabila men inte båda samtidigt.

Grafen och grafenliknande molekyler är attraktiva val som en elektronisk komponent i molekylära enheter, men hittills har det visat sig vara mycket utmanande att använda dem i storskalig produktion av molekylära enheter som fungerar och är robusta vid rumstemperatur. I en gemensam ansträngning forskarlag från University of Warwick, EMPA och Lancaster och Berns universitet har nått både elektrisk och mekanisk stabilitet i grafenbaserade korsningar miljoner gånger mindre än människohårs diameter. De har idag publicerat sina resultat i en artikel med titeln "Robust graphene-based molecular devices" i tidskriften Naturens nanoteknik .

Enkla mekaniskt stabila strukturer som grafenliknande molekyler är lätta att producera genom kemisk syntes men i denna mycket lilla skala är dessa föremål för en rad gränser när de placeras i en korsning för att bilda en elektronisk enhet såsom variationer i molekylelektrodgränssnitt. Forskarna övervinner dessa gränser genom att separera kraven på mekanisk och elektronisk stabilitet på molekylär nivå.

De producerade en elektriskt effektiv struktur genom att bygga en grafenliknande molekylstapel för att bilda en elektronbana genom de grafenliknande molekylerna P orbitaler (dessa är hantelformade elektronmoln inom vilka en elektron kan hittas, inom en viss grad av sannolikhet) Detta skulle öppna nya vägar för att använda fascinerande molekylära egenskaper såsom kvantinterferens som sker i så liten skala förutsatt att en tillräckligt mekanisk robust struktur uppnås. För detta, forskargruppen skapade också bindningar mellan varje molekyl och ett kiseloxidsubstrat. Detta gav strukturen betydande mekanisk stabilitet genom att effektivt förankra den grafenliknande molekylstapeln till substratet med hjälp av en silaniseringsreaktion. Detta illustreras i det förenklade diagrammet som medföljer detta pressmeddelande.

Dr Hatef Sadeghi från University of Warwicks School of Engineering som ledde den teoretiska modelleringen av detta arbete sa:

"Denna metod gjorde det möjligt för oss att designa och producera grafenbaserade molekylära enheter som är elektroniskt och mekaniskt stabila över ett stort temperaturområde. Detta uppnåddes genom att koppla bort den mekaniska förankringen från de elektroniska vägarna genom att kombinera en kovalent bindning av molekylerna till substratet och stora π-konjugerade huvudgrupper.

"Knutpunkterna var reproducerbara över flera enheter och fungerade från 20 Kelvin upp till rumstemperatur. Vårt tillvägagångssätt representerar en enkel men kraftfull strategi för framtida integration av molekylbaserade funktioner i stabila och kontrollerbara nanoelektroniska enheter."