Вчені розробляють молекулярні пристрої, керовані світлом

У недавньому дослідженні, опублікованому в Nature Communications, дослідники з Columbia Engineering оголосили про створення високопровідних регульованих одномолекулярних пристроїв, у яких молекула прикріплена до проводів за допомогою прямих контактів метал-метал. Їх новий підхід використовує світло для керування електронними властивостями пристроїв і відкриває двері для ширшого використання контактів метал-метал, які можуть сприяти транспорту електронів через одномолекулярний пристрій.

Змагання

Оскільки пристрої продовжують зменшуватися, їх електронні компоненти також повинні бути мініатюрними. Пристрої з однією молекулою, які використовують органічні молекули як свої провідні канали, мають потенціал для розв’язання проблем мініатюризації та функціональності, з якими стикаються традиційні напівпровідники. Такі пристрої пропонують захоплюючу можливість керувати ними ззовні за допомогою світла, але — досі — дослідники не змогли це продемонструвати.

«Завдяки цій роботі ми відкрили новий вимір у молекулярній електроніці, де світло можна використовувати для контролю того, як молекула зв’язується в проміжку між двома металевими електродами», — сказав Лата Венкатараман, піонер молекулярної електроніки та професор Лоуренса Ґусмана. Прикладна фізика та професор хімії в Columbia Engineering. «Це схоже на натискання перемикача на нанорозмірі, що відкриває всілякі можливості для розробки розумніших і ефективніших електронних компонентів».

Підхід

Група Венкатарамана майже два десятиліття вивчала фундаментальні властивості одномолекулярних пристроїв, досліджуючи взаємодію фізики, хімії та техніки в нанометровому масштабі. Її основна увага зосереджена на побудові одномолекулярних ланцюгів, молекул, прикріплених до двох електродів, із різноманітною функціональністю, де структура схеми визначається з атомарною точністю.

Її група, а також ті, хто створює функціональні пристрої з графеном , двовимірним матеріалом на основі вуглецю, знають, що створення хороших електричних контактів між металевими електродами та вуглецевими системами є серйозною проблемою. Одним із рішень було б використання металоорганічних молекул і розробка методів для сполучення електричних проводів з атомами металу в молекулі. 

Для досягнення цієї мети вони вирішили дослідити використання металоорганічних залізовмісних молекул фероцену, які також вважаються крихітними будівельними блоками у світі нанотехнологій. Подібно до того, як елементи LEGO можна складати разом для створення складних структур, молекули фероцену можна використовувати як будівельні блоки для створення надмалих електронних пристроїв. Команда використала молекулу, що закінчується фероценовою групою, що складається з двох циклопентадієнільних кілець на основі вуглецю, які містять атом заліза. 

Потім вони використали світло, щоб використовувати електрохімічні властивості молекул на основі фероцену для утворення прямого зв’язку між центром фероценового заліза та золотим (Au) електродом, коли молекула перебувала в окисленому стані (тобто коли атом заліза втратив один електрон). ). У цьому стані вони виявили, що фероцен може зв’язуватися із золотими електродами, які використовуються для підключення молекули до зовнішньої схеми. Технічно окислення фероцену уможливило зв’язування Au0 з центром Fe3+.

«Використовуючи індуковане світлом окислення, ми знайшли спосіб маніпулювати цими крихітними будівельними блоками при кімнатній температурі, відкриваючи двері в майбутнє, де світло можна буде використовувати для керування поведінкою електронних пристроїв на молекулярному рівні», — сказав керівник дослідження. автор Woojung Lee, який є доктором філософії. студент у лабораторії Венкарарамана.

Потенційний вплив

Новий підхід Венкатараман дозволить її команді розширити типи хімії молекулярних завершень (контактів), які вони можуть використовувати для створення одномолекулярних пристроїв. Це дослідження також демонструє здатність вмикати та вимикати цей контакт за допомогою світла для зміни ступеня окислення фероцену, демонструючи одномолекулярний пристрій на основі фероцену з можливістю перемикання світла. Пристрої з керуванням світлом можуть прокласти шлях для розробки датчиків і перемикачів, які реагують на певні довжини світлових хвиль, пропонуючи більш універсальні та ефективні компоненти для широкого спектра технологій.

Команда

Ця робота була спільним зусиллям, що включало синтез, вимірювання та обчислення. Синтез був здійснений в основному в Колумбійському університеті Майклом Інкпеном, який був аспірантом у групі Венкатарамана, а зараз є доцентом Університету Південної Каліфорнії. Усі вимірювання проводив Вуджунг Лі, аспірант групи Венкатарамана. Розрахунки виконували як аспіранти в групі Венкатарамана, так і співробітники з Університету Регенсбурга в Німеччині.

Що далі

Зараз дослідники вивчають практичне застосування одномолекулярних пристроїв, керованих світлом. Це може включати оптимізацію продуктивності пристроїв, вивчення їхньої поведінки в різних умовах навколишнього середовища та вдосконалення додаткових функцій, доступних за допомогою інтерфейсу метал-метал.