När våra enheter blir mindre och mindre, blir användningen av molekyler som huvudkomponenter i elektroniska kretsar allt mer kritisk. Under de senaste 10 åren har forskare försökt använda enstaka molekyler som ledande ledningar på grund av deras småskalighet, distinkta elektroniska egenskaper och höga avstämningsförmåga. Men i de flesta molekylära trådar, när längden på tråden ökar, minskar effektiviteten med vilken elektroner överförs över tråden exponentiellt. Denna begränsning har gjort det särskilt utmanande att bygga en lång molekylär tråd - en som är mycket längre än en nanometer - som faktiskt leder elektricitet bra.

Columbia-forskare meddelade idag att de har byggt en nanotråd som är 2,6 nanometer lång, visar en ovanlig ökning av konduktansen när trådlängden ökar och har kvasimetalliska egenskaper. Dess utmärkta konduktivitet lovar mycket för området molekylär elektronik, vilket gör att elektroniska enheter kan bli ännu mindre. Studien publiceras idag i Nature Chemistry .

Molekylära tråddesigner

Teamet av forskare från Columbia Engineering och Columbias avdelning för kemi, tillsammans med teoretiker från Tyskland och syntetiska kemister i Kina, utforskade molekylära trådkonstruktioner som skulle stödja oparade elektroner i vardera änden, eftersom sådana trådar skulle bilda endimensionella analoger till topologiska isolatorer ( TI) som är starkt ledande genom sina kanter men isolerande i mitten.

Medan den enklaste 1D TI är gjord av bara kolatomer där de terminala kolen stöder de radikala tillstånden - oparade elektroner, är dessa molekyler i allmänhet mycket instabila. Kol gillar inte att ha oparade elektroner. Att ersätta de terminala kolen, där radikalerna finns, med kväve ökar molekylernas stabilitet. "Detta gör 1D TIs gjorda med kolkedjor men avslutade med kväve mycket mer stabila och vi kan arbeta med dessa vid rumstemperatur under omgivande förhållanden", säger teamets medledare Latha Venkataraman, Lawrence Gussman professor i tillämpad fysik och professor i kemi.

Brott mot regeln om exponentiellt förfall

Genom en kombination av kemisk design och experiment skapade gruppen en serie endimensionella TI:er och bröt framgångsrikt regeln om exponentiell sönderfall, en formel för processen med en kvantitet som minskar i en takt som är proportionell mot dess nuvarande värde. Med hjälp av de två radikalkantstillstånden genererade forskarna en starkt ledande väg genom molekylerna och uppnådde en "omvänd konduktansavklingning", dvs ett system som visar en ökande konduktans med ökande trådlängd.

"Vad som verkligen är spännande är att vår tråd hade en konduktans i samma skala som den för en guldmetall-metallpunktskontakter, vilket tyder på att molekylen i sig visar kvasimetalliska egenskaper," sa Venkataraman. "Detta arbete visar att organiska molekyler kan bete sig som metaller på singelmolekylnivå i motsats till vad som hade gjorts tidigare där de främst var svagt ledande."

Forskarna designade och syntetiserade en bis(triarylaminer) molekylserie, som uppvisade egenskaper hos en endimensionell TI genom kemisk oxidation. De gjorde konduktansmätningar av enkelmolekylövergångar där molekyler var anslutna till både source- och drain-elektroderna. Genom mätningarna visade teamet att de längre molekylerna hade en högre konduktans, vilket fungerade tills tråden var längre än 2,5 nanometer, diametern på en sträng av mänskligt DNA.

Läggar grunden för fler tekniska framsteg inom molekylär elektronik

"Venkataraman-labbet försöker alltid förstå samspelet mellan fysik, kemi och ingenjörskonst mellan elektroniska enheter med en molekyl", tillade Liang Li, en Ph.D. student i labbet, och en medförfattare till uppsatsen. "Så att skapa dessa speciella ledningar kommer att lägga grunden för stora vetenskapliga framsteg när det gäller att förstå transport genom dessa nya system. Vi är mycket glada över våra fynd eftersom de belyser inte bara grundläggande fysik, utan också på potentiella tillämpningar i framtiden."

Gruppen utvecklar för närvarande nya konstruktioner för att bygga molekylära trådar som är ännu längre och fortfarande mycket ledande. + Utforska vidare

Nya molekylära ledningar för elektroniska enheter med en molekyl