Strukturen hos en molekylär korsning med icke-kovalent interaktion spelar en nyckelroll i elektrontransport, avslöjar en nyligen genomförd studie utförd av forskare vid Tokyo Tech. Genom samtidig ytförstärkt Raman-spridning och ström-spänningsmätningar fann de att en enda dimerövergång mellan naftalentiolmolekylen visar tre olika bindningar, nämligen π–π intermolekylära och genom-π och genom-rymden molekyl–elektrodinteraktioner.
π–π-interaktionen är en typ av icke-kovalent interaktion som uppstår när elektronmolnen i π-orbitalerna hos aromatiska ringar eller π-konjugerade molekylära system överlappar varandra. Denna interaktion möjliggör en effektiv rörelse av elektroner mellan molekylerna, vilket ger möjlighet att designa material med unika elektroniska egenskaper.
Strukturen hos de knutpunkter som bildas av dessa molekyler spelar en avgörande roll för elektrontransport. Otillräcklig strukturell information om dessa korsningar har dock gjort det svårt att fastställa ett tydligt samband mellan strukturen och elektrontransportegenskaper.
För att komma till rätta med denna kunskapsklyfta har en grupp forskare från Japan, ledda av biträdande professor Satoshi Kaneko och docent Tomoaki Nishino från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), nyligen tillverkat en enda dimer- och monomerövergång av naftalentiol (NT) molekyl och genomförde en detaljerad undersökning av deras struktur och elektrontransportegenskaper med hjälp av kombinerade optiska och elektriska mätningar. Deras studie publicerades nyligen i Journal of the American Chemical Society .
Forskarna tillverkade korsningen genom att först deponera en guldelektrod på en fosforbronsplatta belagd med ett polyimidskikt. Därefter avlägsnade de selektivt polyimidmaterialet under den centrala delen av guldelektroden och bildade en fristående struktur. Slutligen tillsatte de etanollösning innehållande NT droppvis på substratet, vilket resulterade i bildandet av ett enda lager av NT-molekyler som länkade guldelektroderna.
Efter att ha tillverkat korsningen utförde forskarna sedan samtidig in situ ytförstärkt Raman-spridning (SERS) och strömspänningsmätningar (I–V) genom att använda den mekaniskt styrbara break-junction-tekniken. "Detta följdes av en korrelationsanalys av den uppmätta vibrationsenergin och elektriska konduktansvärdena, vilket möjliggör identifiering av intermolekylära och molekyl-elektrodinteraktioner och transportegenskaper i NT-övergången", förklarar Dr. Kaneko.
Ström-spänningsmätningarna avslöjade distinkta tillstånd med hög ledningsförmåga och låg ledningsförmåga. Medan ett högkonduktanstillstånd härstammar från en NT–monomer-övergång, där molekylen interagerar direkt med guldelektroder genom direkt π-bindning, uppstod lågkonduktanstillståndet på grund av en NT-dimer bildad av intermolekylär π–π-interaktion.
Att betrakta vibrationsenergi vid sidan av konduktans bekräftade emellertid tre distinkta strukturer vid korsningen, motsvarande ett högkonduktanstillstånd respektive två lågkonduktanstillstånd. När naftalenringen - i både dimer- och monomerkonfigurationer - interagerade direkt med guldelektroderna genom π-koppling, bildades starkt ledande förbindelser. Omvänt resulterade svaga interaktioner mellan naftalenringen och guldelektroden genom rymdkoppling i svagt ledande övergångar.
"Den samtidiga tillämpningen av SERS- och I-V-tekniken kunde särskilja de olika icke-kovalenta interaktionerna i NT-molekylövergången, vilket belyser dess elektrontransportegenskaper. Dessutom avslöjades den icke-kovalenta karaktären också av effekttäthetsspektra", säger Dr. Nishino.
De nuvarande resultaten ger därför viktiga insikter i π–π-interaktioner som kan bana väg för att använda aromatiska molekyler i utformningen av framtida elektroniska enheter och teknologier.
Mer information: Kanji Homma et al, Intermolecular and Electrode-Molecule Bonding in a Single Dimer Junction of Naphthalenetiol som avslöjats av ytförstärkt Raman-spridning kombinerat med transportmätningar, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c02050
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
