Små elektroniska kretsar driver vår vardag, från de små kamerorna i våra telefoner till mikroprocessorerna i våra datorer. För att göra dessa enheter ännu mindre, forskare och ingenjörer designar kretskomponenter av enskilda molekyler. Inte bara kan miniatyriserade kretsar erbjuda fördelarna med ökad enhetstäthet, fart, och energieffektivitet – till exempel inom flexibel elektronik eller datalagring – men att utnyttja de fysiska egenskaperna hos specifika molekyler kan leda till enheter med unika funktioner. Dock, att utveckla praktiska nanoelektroniska enheter från enstaka molekyler kräver exakt kontroll över det elektroniska beteendet hos dessa molekyler, och en pålitlig metod för att tillverka dem.

Nu, som rapporterats i tidskriften Naturelektronik , forskare har utvecklat en metod för att tillverka en endimensionell uppsättning av enskilda molekyler och för att exakt kontrollera dess elektroniska struktur. Genom att noggrant ställa in spänningen som appliceras på en kedja av molekyler inbäddade i ett endimensionellt kol (grafen) lager, teamet ledd av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fann att de kunde kontrollera om alla, ingen, eller några av molekylerna bär en elektrisk laddning. Det resulterande laddningsmönstret kan sedan flyttas längs kedjan genom att manipulera enskilda molekyler i slutet av kedjan.

"Om du ska bygga elektriska enheter av individuella molekyler, du behöver molekyler som har användbar funktionalitet och du måste ta reda på hur du kan ordna dem i ett användbart mönster. Vi gjorde båda dessa saker i det här arbetet, sa Michael Crommie, en senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som ledde projektet. Forskningen är en del av ett U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science-finansierat program om karaktärisering av funktionella nanomaskiner, vars övergripande mål är att förstå de elektriska och mekaniska egenskaperna hos molekylära nanostrukturer, och att skapa nya molekylbaserade nanomaskiner som kan omvandla energi från en form till en annan på nanoskala.

Nyckelegenskapen hos den fluorrika molekylen som valts ut av Berkeley Lab-teamet är dess starka tendens att acceptera elektroner. För att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos en exakt inriktad kedja av 15 sådana molekyler avsatta på ett grafensubstrat, Crommie, som också är professor i fysik vid UC Berkeley, och hans kollegor placerade en metallelektrod under grafenet som också var separerad från den av ett tunt isolerande lager. Att applicera en spänning mellan molekylerna och elektroden driver elektroner in i eller ut ur molekylerna. På det sättet, de grafenstödda molekylerna beter sig ungefär som en kondensator, en elektrisk komponent som används i en krets för att lagra och frigöra laddning. Men, till skillnad från en "normal" makroskopisk kondensator, genom att justera spänningen på den nedre elektroden kunde forskarna kontrollera vilka molekyler som blev laddade och vilka som förblev neutrala.

I tidigare studier av molekylära sammansättningar, molekylernas elektroniska egenskaper kunde inte både trimmas och avbildas på atomära längdskalor. Utan den extra avbildningsförmågan kan förhållandet mellan struktur och funktion inte helt förstås i samband med elektriska anordningar. Genom att placera molekylerna i en specialdesignad mall på grafensubstratet som utvecklats vid Berkeley Labs Molecular Foundry nanoskala vetenskapsanvändaranläggning, Crommie och hans kollegor såg till att molekylerna var helt tillgängliga för både mikroskopobservation och elektrisk manipulation.

Som förväntat, applicering av en stark positiv spänning på metallelektroden under grafenen som stödde molekylerna fyllde dem med elektroner, lämnar hela molekylarmatrisen i ett negativt laddat tillstånd. Att ta bort eller vända den spänningen fick alla tillsatta elektroner att lämna molekylerna, återför hela arrayen till ett laddningsneutralt tillstånd. Vid en mellanspänning, dock, elektroner fyller bara varannan molekyl i arrayen, vilket skapar ett "schackbräde" mönster av laddning. Crommie och hans team förklarar detta nya beteende med det faktum att elektroner stöter bort varandra. Om två laddade molekyler tillfälligt skulle ockupera angränsande platser, då skulle deras avstötning trycka bort en av elektronerna och tvinga den att slå sig ner en plats längre ner i molekylraden.

"Vi kan göra alla molekyler tomma på laddning, eller alla fulla, eller omväxlande. Vi kallar det ett kollektivt laddningsmönster eftersom det bestäms av elektron-elektronrepulsion i hela strukturen, sa Crommie.

Beräkningar antydde att i en array av molekyler med alternerande laddningar skulle den terminala molekylen i arrayen alltid innehålla en extra elektron eftersom den molekylen inte har en andra granne som orsakar repulsion. För att experimentellt undersöka denna typ av beteende, Berkeley Lab-teamet tog bort den slutliga molekylen i en rad molekyler som hade alternerande laddningar. De fann att det ursprungliga laddningsmönstret hade förskjutits med en molekyl:platser som hade laddats blev neutrala och vice versa. Forskarna drog slutsatsen att innan den laddade terminala molekylen togs bort, molekylen intill den måste ha varit neutral. I sin nya position i slutet av arrayen, den tidigare andra molekylen laddades sedan. För att upprätthålla det alternerande mönstret mellan laddade och oladdade molekyler, hela laddningsmönstret måste skifta med en molekyl.

Om laddningen av varje molekyl ses som en bit information, att sedan ta bort den slutliga molekylen gör att hela informationsmönstret förskjuts med en position. Det beteendet efterliknar ett elektroniskt skiftregister i en digital krets och ger nya möjligheter att överföra information från en region av en molekylär enhet till en annan. Att flytta en molekyl i ena änden av arrayen kan fungera som att slå på eller av en strömbrytare någon annanstans i enheten, tillhandahåller användbar funktionalitet för en framtida logikkrets.

"En sak som vi tyckte var riktigt intressant med det här resultatet är att vi kunde ändra den elektroniska laddningen och därför egenskaperna hos molekyler från mycket långt borta. Den nivån av kontroll är något nytt, sa Crommie.

Med sin molekylära uppsättning uppnådde forskarna målet att skapa en struktur som har mycket specifik funktionalitet; det är, en struktur vars molekylära laddningar kan finjusteras mellan olika möjliga tillstånd genom att applicera en spänning. Att ändra laddningen av molekylerna orsakar en förändring i deras elektroniska beteende och, som ett resultat, i hela enhetens funktionalitet. Detta arbete kom ur en DOE-ansträngning att konstruera exakta molekylära nanostrukturer som har väldefinierad elektromekanisk funktionalitet.

Berkeley Lab-teamets teknik för att kontrollera molekylära laddningsmönster kan leda till nya konstruktioner för elektroniska komponenter i nanoskala inklusive transistorer och logiska grindar. Tekniken kan också generaliseras till andra material och inkorporeras i mer komplexa molekylära nätverk. En möjlighet är att ställa in molekylerna för att skapa mer komplexa laddningsmönster. Till exempel, att ersätta en atom med en annan i en molekyl kan förändra molekylens egenskaper. Att placera sådana förändrade molekyler i arrayen kan skapa ny funktionalitet. Baserat på dessa resultat planerar forskarna att utforska den funktionalitet som uppstår från nya variationer inom molekylära arrayer, samt hur de potentiellt kan användas som små kretskomponenter. I sista hand, de planerar att införliva dessa strukturer i mer praktiska enheter i nanoskala.