En experimentell studie från Monash University har tillverkat en självmonterad, kolbaserad nanofilm där laddningstillståndet (dvs. elektroniskt neutral eller positiv) kan styras på nivån för enskilda molekyler, på en längdskala på cirka en nanometer.

Den atomtunna nanofilmen består av en ordnad tvådimensionell (2-D) uppsättning molekyler som beter sig som "nolldimensionella" enheter som kallas quantum dots (QDs).

Detta system har spännande konsekvenser för områden som datorminne, ljusemitterande enheter och kvantberäkning.

Skolan för fysik och astronomi visar att en enkomponent, självmonterad 2-D-uppsättning av den organiska (kolbaserade) molekylen dicyanoantracen kan syntetiseras på en metall, så att laddningstillståndet för varje molekyl kan styras individuellt via ett applicerat elektriskt fält.

"Denna upptäckt skulle möjliggöra tillverkning av 2-D-grupper med individuellt adresserbara (omkopplingsbara) kvantpunkter från botten upp, via självmontering, säger huvudförfattaren Dhaneesh Kumar.

"Vi skulle kunna uppnå tätheter tiotals gånger större än toppmodern, top-down syntetiserade oorganiska system. "

Quantum dots:små, "noll-dimensionella" kraftstationer

Kvantprickar är extremt små - ungefär en nanometer över (dvs. en miljonedel av en millimeter).

Eftersom deras storlek liknar elektronernas våglängd, deras elektroniska egenskaper skiljer sig radikalt från konventionella material.

I kvantpunkter, elektronernas rörelse begränsas av denna extremt små skala, vilket resulterar i diskreta elektroniska kvantenerginivåer.

Effektivt, de beter sig som "noll-dimensionella" (0D) objekt, där beläggningsgraden (fylld eller tom) för deras kvantiserade elektroniska tillstånd bestämmer avgiften (i denna studie, neutral eller negativ) för kvantpunkten.

Beställda matriser med laddningsstyrbara kvantpunkter kan hitta tillämpning i datorminne såväl som ljusemitterande enheter (t.ex. lågenergi-TV eller smartphone-skärmar).

Matriser med kvantprickar syntetiseras konventionellt från oorganiska material via fram-och-ner-tillverkningsmetoder. Dock, använder sådana "top-down" -metoder, Det kan vara utmanande att uppnå matriser med stora densiteter och hög homogenitet (när det gäller kvantpunktstorlek och avstånd).

På grund av deras avstämning och självmonteringsförmåga, att använda organiska (kolbaserade) molekyler som byggstenar i nanostorlek kan vara särskilt användbar för tillverkning av funktionella nanomaterial, i synnerhet väldefinierade skalbara ensembler av kvantprickar.

Studien

Forskarna syntetiserade en homogen, enkomponent, självmonterad 2-D-uppsättning av den organiska molekylen dicyanoanthracene (DCA) på en metallyta.

Studien leddes av Monash Universitys naturvetenskapliga fakultet, med stöd av teori från Monash Faculty of Engineering.

Denna atomskala strukturella och elektroniska egenskaper hos denna nanoskala-uppsättning studerades experimentellt via lågtemperatur-skanningstunnelmikroskopi (STM) och atomkraftsmikroskopi (AFM) (School of Physics and Astronomy, under doktor Agustin Schiffrin). Teoretiska studier med funktionell densitetsteori stödde de experimentella resultaten (Institutionen för materialvetenskap och teknik, under A/Prof Nikhil Medhekar).

Forskarna fann att laddningen av enskilda DCA-molekyler i den självmonterade 2-D-matrisen kan styras (omkopplad från neutral till negativ och vice versa) av ett applicerat elektriskt fält. Denna laddningstillstånds elektriska fältkontroll möjliggörs av en effektiv tunnelspärr mellan molekyl och yta (till följd av begränsade metall-adsorbat-interaktioner) och en signifikant DCA-elektronaffinitet.

Subtil, platsberoende variationer av den molekylära adsorptionsgeometrin befanns ge upphov till betydande variationer i mottagligheten för laddning av elektriskt fält.

"Elektrisk fältkontroll av molekylärt laddningstillstånd i en enkomponents 2-D organisk nanoarray" publicerades i ACS Nano .