Forscher demonstrieren den elektronischen „Schalter“ einzelner Moleküle mithilfe von leiterähnlichen Molekülen

Forscher haben ein neues Material für elektronische Einzelmolekülschalter demonstriert, das den Strom als Reaktion auf äußere Reize effektiv im Nanobereich variieren kann. Das Material für diesen molekularen Schalter hat eine einzigartige Struktur, die durch die Bindung eines linearen molekularen Rückgrats in eine leiterartige Struktur entsteht. Eine neue Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die leiterartige Molekülstruktur die Stabilität des Materials erheblich erhöht, was es für den Einsatz in Einzelmolekül-Elektronikanwendungen äußerst vielversprechend macht.

Im Journal berichtet ChemDie Studie zeigt, dass das Leitermolekül als robuster und reversibler molekularer Schalter über einen weiten Bereich von Leitfähigkeitsniveaus und verschiedenen Molekülzuständen fungiert.

„Unsere Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung funktioneller molekularer elektronischer Geräte dar“, sagt Charles Schroeder, James Economy-Professor für Materialwissenschaft und -technik und Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign.

Um die chemische und mechanische Stabilität des Moleküls zu verbessern, nutzte das Team neue Strategien in der chemischen Synthese, um das Molekülrückgrat zu fixieren und so die Drehung des Moleküls zu verhindern, etwa durch die Umwandlung einer Strickleiter in etwas Stabileres wie Metall oder Holz.

„Stellen Sie sich einen Lichtschalter vor, den wir jeden Tag ein- und ausschalten, aber anstatt einen tatsächlichen Schalter umzulegen, fügen wir chemische oder elektrochemische Reize hinzu, um das elektrische Signal des Materials ein- und auszuschalten“, sagt Hauptautor und ehemaliger Doktorand Jialing ( Caroline) Li. Im Vergleich zu anorganischen Massenmaterialien können organische Einzelmoleküle in grundlegende elektrische Komponenten wie Drähte und Transistoren umgewandelt werden und helfen dabei, das ultimative Ziel der Verkleinerung elektrischer Schaltkreise zu erreichen.

Elektronische Einzelmolekülgeräte bestehen aus Verbindungen mit einer Einzelmolekülbrücke, die im Allgemeinen an zwei Endgruppen verankert ist, die mit Metallelektroden verbunden sind. Diese Geräte können programmierbar gemacht werden, indem ein auf Reize reagierendes Element in der Brücke verwendet wird, das mithilfe einer Reihe von Reizen wie pH-Wert, optischen Feldern, elektrischen Feldern, magnetischen Feldern, mechanischen Kräften und elektrochemischer Steuerung ein- und ausgeschaltet werden kann.

„Der molekulare Skalenschalter war ein sehr beliebtes Thema bei Studien zur Einzelmolekülelektronik“, erklärt Li. „Die Realisierung eines Mehrzustandsschalters auf molekularer Ebene ist jedoch eine Herausforderung, da wir ein Material benötigen, das leitfähig ist und mehrere verschiedene molekulare Ladungszustände aufweist, und das Material sehr stabil sein muss, damit es über viele Zyklen ein- und ausgeschaltet werden kann.“ .“

Obwohl Li viele andere organische Materialien erforschte, bestand der Nachteil dieser Materialien darin, dass sie unter Umgebungsbedingungen nicht stabil waren und sich leicht zersetzen konnten, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt wurden. Nachdem Li lange nach dem idealen Material gesucht hatte, wurde sie fündig, als sie auf ein Material einer Forschungsgruppe der Texas A&M University (Mitarbeiter an diesem Projekt) stieß und es sofort als ideal für ihre Zwecke identifizierte.

Die Modifizierung der Struktur durch Blockierung des Molekülrückgrats verhindert Hydrolyse, chemischen Abbau durch Reaktion mit Wasser und andere Abbaureaktionen und erleichtert die Charakterisierung des Materials, da es sich nicht drehen und seine Form ändern kann.

Diese starre, koplanare Form verbessert die elektronischen Eigenschaften des Moleküls und erleichtert den Elektronenfluss durch das Material. Die leiterartige Struktur ermöglicht stabile molekulare Ladungszustände, wenn externe Reize angewendet werden, die zu deutlich unterschiedlichen Leitfähigkeitsniveaus führen, was das Schalten mehrerer Zustände ermöglicht.

Dieses Material erfüllt fast alle Anforderungen, die für den Einsatz in elektronischen Einzelmolekülgeräten erforderlich sind: Es ist unter Umgebungsbedingungen stabil, kann viele Male ein- und ausgeschaltet werden, ist leitfähig (wenn auch nicht so leitfähig wie Metall) und verfügt über verschiedene Molekülzustände, auf die zugegriffen werden kann genutzt werden.

„Forscher haben darum gekämpft, die Größe des Transistors zu minimieren, um so viele wie möglich auf Chips für Halbleiter unterzubringen, wobei sie normalerweise anorganische Materialien wie Silizium verwenden“, sagt Li. „Eine alternative Möglichkeit besteht darin, organische Materialien wie ein Einzelmolekülmaterial zu verwenden, um die Elektronen zu leiten und die anorganischen Gegenstücke zu ersetzen.“ Die in dieser Forschung verwendete Leiterstruktur ist vielversprechend für den Einsatz als funktionelle Materialien für Einzelmolekültransistoren.

Derzeit wird nur eine Einheit des Moleküls für die Einzelmolekülelektronik verwendet, es ist jedoch möglich, die Länge um viele Wiederholungseinheiten zu erweitern, um einen längeren Moleküldraht herzustellen. Das Team geht davon aus, dass das Material auch über eine längere Distanz noch gut leitfähig sein wird.