Ученые из Токийского технологического института создали первые термически устойчивые органические молекулярные нанопроволочные устройства, использующие одну молекулу длиной 4,5 нм, помещенную внутри позолоченных электродов с наноразмерным зазором между ними.

Традиционные методы и материалы, используемые для изготовления современных интегральных схем, близки к достижению (или, возможно, уже достигли) их предельных физических пределов относительно размера конечного продукта. Другими словами, дальнейшая миниатюризация электронных устройств практически невозможна без использования других типов материалов и технологий, таких как органические молекулярные электронные устройства. Однако этот класс устройств обычно работает должным образом только при чрезвычайно низких температурах из-за тепловых колебаний как органических молекул, так и металлических электродов.

 

В то время как специальные электролитические позолоченные наноразмерные электроды, называемые электродами ELGP (англ. electroless gold-plated nanogap electrodes), продемонстрировали исключительную термическую стабильность, необходимо разработать и новые классы молекулярных проводов для решения вышеупомянутой проблемы. В связи с этим группа ученых, в том числе профессор Ютака Маджима из Токийского технологического института (Tokyo Tech), сосредоточила свое внимание на молекуле длиной 4,5 нм, называемой олигофениленвинином с дисульфанильным углеродным мостиком, или COPV6 (SH) 2 для краткости.

Эта молекула имеет жесткую палочкообразную пи-сопряженную систему, которая электронно и пространственно изолирована от своего окружения четырьмя 4-октилфенильными группами. Молекула имеет два сульфгидрильных конца, которые могут или не могут химически связываться с противолежащими золотыми поверхностями электрода ELGP. Интересно, что исследовательская группа обнаружила, что когда молекула COPV6 (SH) 2 специфически связывается с золотыми поверхностями (назовем их SAuSH), полученное устройство показывает характерное поведение когерентных резонансных электронно-туннельных устройств, которые имеют множество потенциальных применений в электронике и нанотехнологиях.

 

(а) Молекулярная структура молекулы COPV6 (SH) 2.

(б) Верхний и поперечный разрезы электрода на основе наночастиц ELGP.

(c) Различные способы, которыми молекула связывается с наноэлектродом. Термически стабильное устройство получается, когда происходит первый тип связывания (SAuSH).

Credit: ACS OMEGA

 

Самое главное, разработанное устройство было термически стабильным, демонстрируя аналогичные кривые зависимости тока и напряжения как при 9, так и при 300 К. Этого не было достигнуто до использования гибких органических молекулярных проводов. Однако существует несколько способов, с помощью которых молекула COPV6 (SH) 2 может связываться с электродом ELGP, и у команды в настоящее время нет способа контролировать тип устройства, которое они получат.

Несмотря на это, они измерили электрические характеристики устройств, которые они получили, чтобы детально объяснить лежащие в основе квантовые механизмы, которые определяют их поведение. Кроме того, они подтвердили свои выводы теоретически полученными значениями, и, сделав это, они еще больше укрепили свои познания в отношении принципа работы устройства SAuSH и других возможных конфигураций.

Следующая задача состоит в том, чтобы получить лучшую продуктивность устройства SAuSH, поскольку сейчас она составляла менее 1%. Команда считает, что жесткость и высокая молекулярная масса молекулы, а также стабильность электродов ELGP будут отвечать за высокую стабильность полученного устройства. Учитывая множество возможных вариаций класса молекул COPVn и различных конфигураций ELGP, проблема выхода может быть решена путем корректировки методов и характеристик используемых молекул и зазоров.

Данные, представленные в этой работе, станут основой для будущих молекулярных электронных исследований.

Источник: Chun Ouyang, Kohei Hashimoto, Hayato Tsuji, Eiichi Nakamura, Yutaka Majima. Coherent Resonant Electron Tunneling at 9 and 300 K through a 4.5 nm Long, Rigid, Planar Organic Molecular Wire. ACS Omega, 2018; 3 (5): 5125 DOI: 10.1021/acsomega.8b00559

 

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта