Исследователи демонстрируют одномолекулярный электронный «переключатель», используя лестничные молекулы

Об этом сообщается в журнале ХимияИсследование показывает, что молекула лестничного типа служит надежным и обратимым молекулярным переключателем в широком диапазоне уровней проводимости и различных молекулярных состояний.

«Наша работа представляет собой значительный шаг вперед на пути к разработке функциональных молекулярных электронных устройств», — говорит Чарльз Шредер, профессор материаловедения и инженерии Джеймса Экономики и профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. .

Чтобы повысить химическую и механическую стабильность молекулы, команда использовала новые стратегии химического синтеза, чтобы заблокировать молекулярную основу и предотвратить вращение молекулы, например превратить веревочную лестницу во что-то более стабильное, например, в металл или дерево.

«Представьте себе выключатель, который мы включаем и выключаем каждый день, но вместо того, чтобы щелкать настоящим выключателем, мы добавляем химические или электрохимические стимулы, чтобы включать и выключать электрический сигнал от материала», — говорит ведущий автор и бывший аспирант. Цзялин (Кэролайн) Ли. По сравнению с объемными неорганическими материалами, органические одиночные молекулы можно превратить в базовые электрические компоненты, такие как провода и транзисторы, и это поможет достичь конечной цели — сокращения электрических цепей.

Одномолекулярные электронные устройства сконструированы как соединения с одномолекулярным мостиком, который обычно прикреплен к двум группам клемм, соединенным с металлическими электродами. Эти устройства можно сделать программируемыми с помощью элемента, реагирующего на стимулы, в мосту, который можно включать и выключать с помощью множества стимулов, таких как pH, оптические поля, электрические поля, магнитные поля, механические силы и электрохимический контроль.

«Переключатель молекулярного масштаба был очень популярным предметом в исследованиях электроники одиночных молекул», — объясняет Ли. «Но реализовать многоуровневый переключатель на молекулярном уровне сложно, потому что нам нужен материал, который был бы проводящим и имел несколько различных состояний молекулярного заряда, и мы требуем, чтобы материал был очень стабильным, чтобы его можно было включать и выключать в течение многих циклы».

Хотя Ли исследовал множество других органических материалов, их недостатком было то, что они не были стабильными в условиях окружающей среды и могли легко разрушаться под воздействием кислорода. После долгих поисков идеального материала Ли нашла золото, когда наткнулась на материал исследовательской группы из Техасского университета A&M (соавторы этого проекта) и сразу определила его как идеальный для своих целей.

Модификация структуры путем блокировки основной цепи молекулы предотвращает гидролиз, химический распад из-за реакции с водой и другие реакции разложения, а также упрощает характеристику материала, поскольку он не может вращаться и менять форму. Эта жесткая, копланарная форма улучшает электронные свойства молекулы, облегчая поток электронов через материал. Структура лестничного типа обеспечивает стабильные состояния молекулярного заряда при приложении внешних стимулов, которые приводят к существенно различным уровням проводимости, что делает возможным переключение нескольких состояний.

Этот материал отвечает почти всем требованиям, необходимым для использования в одномолекулярных электронных устройствах: он стабилен в условиях окружающей среды, может многократно включаться и выключаться, является проводящим (хотя и не таким проводящим, как металл) и имеет различные доступные молекулярные состояния. быть использованным.

«Исследователи изо всех сил пытались минимизировать размер транзистора, чтобы разместить как можно больше транзисторов на полупроводниковых чипах, обычно использующих неорганические материалы, такие как кремний», — говорит Ли. «Альтернативный способ сделать это — использовать органические материалы, такие как одномолекулярный материал, для проведения электронов и замены неорганических аналогов». Структура лестничного типа, используемая в этом исследовании, обещает быть использованной в качестве функциональных материалов для одиночных молекул. Молекулярные транзисторы.

На данный момент для одномолекулярной электроники используется только одна единица молекулы, но можно увеличить длину, включив в нее множество повторяющихся единиц, чтобы сделать молекулярный провод более длинным. Команда считает, что материал по-прежнему будет иметь высокую проводимость даже на больших расстояниях.