I en ny Nature Communications Forskare från Columbia Engineering rapporterar att de har byggt mycket ledande, avstämbara enheter med en enda molekyl där molekylen är fäst vid ledningar genom att använda direkta metall-metallkontakter. Deras nya tillvägagångssätt använder ljus för att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos enheterna och öppnar dörren till bredare användning av metall-metallkontakter som kan underlätta elektrontransport över enkelmolekylenheten.

När enheterna fortsätter att krympa måste deras elektroniska komponenter också miniatyriseras. Enkelmolekylära enheter, som använder organiska molekyler som sina ledande kanaler, har potential att lösa miniatyriserings- och funktionaliseringsutmaningarna som traditionella halvledare står inför. Sådana enheter erbjuder den spännande möjligheten att styras externt med hjälp av ljus, men – hittills – har forskare inte kunnat visa detta.

"Med detta arbete har vi låst upp en ny dimension inom molekylär elektronik, där ljus kan användas för att styra hur en molekyl binder i gapet mellan två metallelektroder", säger Latha Venkataraman, en pionjär inom molekylär elektronik och Lawrence Gussman professor i Tillämpad fysik och professor i kemi vid Columbia Engineering. "Det är som att vrida på en strömbrytare i nanoskala och öppna upp alla möjliga möjligheter för att designa smartare och mer effektiva elektroniska komponenter."

Venkataramans grupp har studerat de grundläggande egenskaperna hos enmolekylära enheter i nästan två decennier och utforskat samspelet mellan fysik, kemi och ingenjörskonst på nanometerskala. Hennes underliggande fokus ligger på att bygga enmolekylära kretsar, en molekyl fäst vid två elektroder med varierande funktionalitet, där kretsstrukturen definieras med atomär precision.

Hennes grupp, liksom de som skapar funktionella enheter med grafen, ett kolbaserat tvådimensionellt material, har vetat att det är en stor utmaning att skapa bra elektriska kontakter mellan metallelektroder och kolsystem. En lösning skulle vara att använda organometalliska molekyler och utveckla metoder för att koppla samman elektriska ledningar till metallatomerna i molekylen. Mot detta mål bestämde de sig för att utforska användningen av organometalliska järnhaltiga ferrocenmolekyler, som också anses vara små byggstenar i nanoteknologins värld.

Precis som LEGO-bitar kan staplas ihop för att skapa komplexa strukturer, kan ferrocenmolekyler användas som byggstenar för att konstruera ultrasmå elektroniska enheter. Teamet använde en molekyl som avslutades av en ferrocengrupp bestående av två kolbaserade cyklopentadienylringar som sammanfogar en järnatom.

De använde sedan ljus för att utnyttja de elektrokemiska egenskaperna hos de ferrocenbaserade molekylerna för att bilda en direkt bindning mellan ferrocenjärncentret och guld (Au) elektroden när molekylen var i ett oxiderat tillstånd (dvs när järnatomen hade förlorat en elektron). I detta tillstånd upptäckte de att ferrocen kunde binda till guldelektroderna som användes för att ansluta molekylen till de externa kretsarna. Tekniskt sett möjliggjorde oxidering av ferrocen bindningen av en Au ⁰ till en Fe ³⁺ mitten.

"Genom att utnyttja den ljusinducerade oxidationen hittade vi ett sätt att manipulera dessa små byggstenar vid rumstemperatur och öppna dörrar till en framtid där ljus kan användas för att kontrollera beteendet hos elektroniska enheter på molekylär nivå", säger studiens ledare författaren Woojung Lee, som är Ph.D. student i Venkararamans labb.

Venkataramans nya tillvägagångssätt kommer att göra det möjligt för hennes team att utöka de typer av molekylära avslutningskemi (kontakt) som de kan använda för att skapa enheter med en enda molekyl. Denna studie visar också förmågan att slå på och stänga av denna kontakt genom att använda ljus för att ändra oxidationstillståndet för ferrocenet, vilket visar en ljusomkopplingsbar ferrocenbaserad enhet med en enda molekyl. De ljusstyrda enheterna kan bana väg för utvecklingen av sensorer och omkopplare som svarar på specifika ljusvåglängder och erbjuder mer mångsidiga och effektiva komponenter för ett brett spektrum av teknologier.

Mer information: Woojung Lee et al, Fotooxidationsdriven bildning av Fe-Au-länkade ferrocenbaserade enkelmolekylövergångar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45707-z

Tillhandahålls av Columbia University School of Engineering and Applied Science