Ein optischer und elektrisch angetriebener Einzelmolekül-Raman-Schalter

Die Rolle molekularer Verbindungen in der Nanoelektronik wird am häufigsten mit dem elektronischen Transport in Verbindung gebracht; Ihre genaue Charakterisierung behindert jedoch ihre weitverbreitete Entwicklung. In jüngster Zeit konzentrierte sich der Großteil der Forschung auf die Untersuchung molekularer Verbindungen auf der Grundlage elektronischer Charakterisierung.

Zusätzlich zur angelegten Spannung kann Licht den Molekülzustand beeinflussen und molekulare Zustände komplementär charakterisieren. Die Wechselwirkung von Licht mit molekularen Verbindungen ist ein ergänzender Faktor für die Entwicklung molekularer Schalter. Allerdings sind die meisten klassischen optischen Spektroskopiemethoden durch die Beugung begrenzt, was es schwierig macht, nanoskalige Systeme mit ultrahoher räumlicher Auflösung zu charakterisieren.

Nahfeldverstärkte Techniken, die auf lokalem Oberflächenplasmon (LSP) basieren, können die Beugungsgrenze durchbrechen und eine hervorragende Lösung für die Ultramikroskopie darstellen. Solche nahfeldverstärkten Techniken bieten hochpräzise Methoden für Nanobereiche, wie z. B. kohärente Manipulations-, Verarbeitungs- und Messtechniken zum Tunneln von Strömen in nanoelektronischen Geräten.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Fortschrittliche Fertigunghat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Doktor Hai Bi vom Jihua Laboratory, China, und Kollegen einen einzelmolekularen Raman-Schalter vorgestellt, der nicht nur durch eine angelegte Spannung, sondern auch durch optische Eingänge mit unterschiedlichen Richtungen gesteuert wird.

In dieser Studie wurde die kombinierte Wirkung des optischen Nahfelddrehimpulses und der Vorspannung auf die Raman-Reaktion einer einzelnen molekularen Verbindung untersucht, wodurch ein molekularer Schalter entsteht. Mithilfe einer selbstgebauten Molecular Junction Spectroscopy (MJS)-Plattform wurde das optisch und elektrisch gesteuerte Konformationsschalten in den kovalent verbundenen Metall-Molekül-Metall-Übergängen von TM-TPD charakterisiert.

Der nicht-π-konjugierte molekulare „Draht“ von TM-TPD verbindet die goldbeschichtete Spitze eines Tunnelmikroskops elektrisch mit einem Goldsubstrat. Zuvor wurde ein TM-TPD-Molekülübergang verwendet, um eine frühere Beobachtung zu bestätigen, dass die Raman-Aktivität des Moleküls aufgrund der molekularen Konjugation während des Ladungstransports durch Molekülorbitale mithilfe der Vorspannung ein- und ausgeschaltet werden kann. In dieser Studie wurde außerdem gezeigt, dass der molekulare Schalter über einen optischen Eingang manipuliert werden kann.

Die Auswirkungen sowohl der Polarisation des Lichts als auch der daraus resultierenden Symmetrieeigenschaften des elektromagnetischen Nahfeldes wurden untersucht und zur Steuerung des Schaltverhaltens genutzt. Diese Änderung der Raman-Antwort der Verbindung ist mit einer Änderung der Konformation des Moleküls verbunden. Durch Ändern sowohl der Beleuchtungsseite als auch der an den Übergang angelegten Spannung kann die Raman-Intensität mit einem Unterschied von fast fünf Größenordnungen zwischen den beiden Zuständen ein- und ausgeschaltet werden.

Es wurde gezeigt, dass konformative molekulare Verbindungen nicht nur durch die an eine Einzelmolekülverbindung angelegte Spannung gesteuert werden können, sondern auch durch den optischen Drehimpuls im Nahfeld, der durch den Plasmonlückenmodus in der Verbindung verstärkt wird. Eine hohe Vorspannung führt zu einer Neuordnung der Elektronendichte an der Molekülverbindung, wodurch der Raman-Modus aktiviert wird.

Dieser Raman-Modus wird durch Planarisierung und erhöhte π-Konjugation des TM-TPD-Moleküls verstärkt. Der Drehimpuls des Lichts verursacht ein Z-Achsen-Drehmoment, wenn die Verteilung des elektromagnetischen Feldes asymmetrisch ist. Dadurch ist es möglich, die Konformation des TM-TPD zu ändern, die Umlagerung der Transportelektronendichte zu zerstören und schließlich den Raman-Modus zu unterdrücken. Durch diese Untersuchungen konnte experimentell nachgewiesen werden, dass der optische Drehimpuls eine treibende Kraft für das molekulare Schalten ist.

Genauer gesagt wurde festgestellt, dass die Drehimpulsanregung in sehr engem Zusammenhang mit der Symmetrie des Nahfeldsystems steht. Diese Studie eröffnet neue Wege für die Erforschung der molekularen Logik und des optischen Drehimpulses im Nahfeldbereich. Die in dieser Studie gezeigte Möglichkeit, physikalisch-chemische Phänomene mit einer Einzelmolekülauflösung zu untersuchen, dient als Ausgangspunkt für eine neue Generation nanomechanischer Studien unter Verwendung von MJS-Aufbauten.

Technologisch gesehen demonstrierten diese Untersuchungen die Überwachung und Manipulation einzelner Moleküle mit hervorragender Kontrolle und eröffneten neue Wege für die multilogische Einzelmolekülberechnung.