Skabte en diode med ni carbonatomer • Arkady Kuramshin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Nanoteknologi, Kemi, Fysik, Teknologi

Diode lavet af ni carbonatomer

Fig. 1. Kemisk struktur af nonadiin-1,8 (til venstre) og strukturen af ​​monolaget, som det danner på overfladen af ​​hydrogeneret silicium (til højre). I navnet på dette stof nona viser at den indeholder 9 carbonatomer, di-ins – at to af de otte bindinger mellem disse atomer er tredobbelt; 1,8 indikerer at disse er bindingerne mellem det første og andet og ottende og niende atomer. Figur fra den diskuterede artikel iNaturkommunikation

Spanske forskere har vist, at molekylet af simple organiske stoffer nonadiin-1,8 kan anvendes som en molekylær diode. Denne mindste diode i verden viste sig også at være meget effektiv, og i modsætning til de tidligere dannede molekyledioder kan den fungere ved stuetemperatur.

En af de vigtigste retninger i udviklingen af ​​elektronik er miniaturisering. Elektroniske kredsløb og deres komponenter bliver mindre og mindre. Elektroniske kredsløb baseret på silicium, germanium og andre halvledermaterialer (se Semiconductors), som er sædvanlige for os, kan dog kun reduceres op til en vis grænse. Derfor er der i et par årtier sket en intensiv udvikling inden for molekylær elektronik, hvor enkelte molekyler tjener som elektroniske komponenter.Molekylære ledninger, molekylære logiske elementer, molekylære dioder og molekylære transistorer er allerede kendt.

Forskere ved universitetet i Barcelona, ​​der arbejder i gruppen Ismael Diez-Perez (Ismael Díez-Pérez), kunne demonstrere, at et nonadiine-1,8-molekyle på et siliciumsubstrat fungerer som en diode (figur 1). Dette molekyle består af kun ni carbonatomer og tolv hydrogenatomer (C9H12). Således er den skabte diode meget lille selv ved standarderne for molekylær elektronik.

Måske kunne nogle læsere, efter at have læst ordet "diode", forestille sig små glødende lys – lysdioder. Men i dette tilfælde er det ikke en lyskilde, der menes, men en enhed, der overfører elektrisk strøm i en retning og blokerer strømmen i modsat retning. Sådanne indretninger er en af ​​de grundlæggende komponenter i elektroniske kredsløb.

Nonadiin-1,8 tilhører klassen af ​​terminale dyne-molekyler indeholdende to carbon-carbon triple bindinger, som er placeret i modsatte ender af carbonkæden. Sådanne terminale diiner blev syntetiseret i anden halvdel af det tyvende århundrede og fundet anvendelse, for eksempel ved fremstillingen af ​​syntetiske polymerer.På makroskopisk niveau udfører ingen af ​​de ikke-aminiske-1,8 eller beslægtede forbindelser i struktur ikke elektrisk strøm. Forskerne brugte et carbonhydridmolekyle med to tredobbelte bindinger, ikke som en almindelig elektrisk kontakt, men som en kontakt for en tunnelstrøm, der opstår, når en ladningsbærer "glider" mellem elektroderne – en tunnelingstransition (elektron tunneling er mest kendt).

Den diine molekylære diode er fastgjort på en delvist hydrogeneret indeholdende Si-H bindinger – siliciumoverflade. Dette sker som et resultat af en hydrosilyleringsreaktion initieret ved ultraviolet stråling – tilsætningen af ​​en Si-H-binding til en multiplebinding i en af ​​enderne af det ikke -adiinske molekyle. (Denne reaktion fortsætter på en måde svarende til hydrogenadditionsreaktionen af ​​hydrogen eller hydrogenchlorid hydrogen til dobbelt eller tredobbelt bindinger som studeret i skolen.) Den anden triple binding – i den anden ende af dienmolekylet – forbliver frit for at tillade elektrisk kontakt med eksterne elektroner. Dette giver det oprindeligt symmetriske molekyle mulighed for at opføre sig forskelligt med elektroner, der bevæger sig i modsatte retninger – til underlaget eller væk fra det.

For at teste udførelsen af ​​dioden udviklede forskerne en særlig eksperimentel metode, som de kaldte "flimrende test" ("blinkende test"). Overfladen af ​​silicium med nonadiin-1,8 molekyler bundet til den blev undersøgt ved anvendelse af et scanningstunnelingsmikroskop. Når en mikroskopsonde fremstillet af guld var i kontakt med et nonadiinmolekyle (figur 2a), blev det elektriske kredsløb lukket, og en abrupt stigning i den aktuelle intensitet blev registreret – "flimmer" (figur 2b). Periodisk ændring af spændingspolariteten bekræftede forskerne den ensidige ledning af dioden (figur 2, c).

Fig. 2. Projektets opbygning. en – Nonadiine-1,8-molekylet deltager i lukningen og åbningen af ​​det elektriske kredsløb mellem mikroskopets guldsonde og siliciumsubstratet. b – registrering af "flimmer" som følge af bindingen af ​​to elektroder med en molekylerdiode ved en spænding på -0,8 V. Den øvre graf viser en hoplignende forøgelse af styrken af ​​tunnelstrømmen, der opstår, når mikroskopproben kontakter molekylet, lille (sammenlignelig med målefejlen) svingninger af strømmen i Sondemolekylets kontaktmoment og et skarpt fald i strømmen til den oprindelige værdi, når kontakten går tabt. c – Ensidet ledning af dioden, når spændingen ændres fra -2 til +2 V. Det ses, at ved -2 ​​V (nedre graf) er der en kraftig stigning i styrken af ​​tunnelstrømmen (øvre graf) til 120 mikroampere (hele toppen, der illustrerer væksten af ​​strømmen, passede simpelthen ikke i illustrationen), ændrede polariteten og potentialet på +2 V tilladt at optage strømmen med en kraft på kun 30 nanoampere – 4000 gange mindre. Figur fra den diskuterede artikel i Naturkommunikation

Ved at begynde at studere overfladen af ​​silicium belagt med hundredvis eller titus nonadiin-1,8 molekyler ved at øge nøjagtigheden af ​​scanning og måling, var forskerne i stand til hurtigt at tilpasse metoden til at studere elektrisk kontakt med et enkelt molekyle. Interessant nok kan molekyler svarende til struktur, for eksempel nonin-1, som kun har en tredobbelt binding, ikke fungere som elektriske kontakter. Sandsynligvis er den sekundære triadiumbinding af nonadiin eller hydrogenatom der er forbundet med det (danner en lige linje C = C-H med de sidste to carbonatomer) en rolle som en ejendommelig antenne, som letter tunneling af en elektron.

Den skabte diode er interessant, ikke kun i størrelse – dens effektivitet er unik for elektroniske komponenter af denne type.Diodens effektivitet bestemmes sædvanligvis af værdien af ​​korrigeringskoefficienten – forholdet mellem fremadgående strøm og omvendt strøm. For en ny diode når korrigeringskoefficienten ca. 4000. Dette er to størrelsesordener mere end korrigeringsfaktoren for den første molekylære diode opnået i 2009 med deltagelse af Ismael Dies-Perez selv, samt Ivan Oleynik fra Institut for Kemisk Fysik. NN Semenova fra det russiske videnskabsakademi (I. Díez-Pérez et al., 2009. Enkeltmolekyldiode med kontrolleret orientering). Desuden er nonadiine-1,8 diode meget modstandsdygtig – den kan arbejde ved stuetemperatur, mens dioderne fra 2009 (flere molekyler ensidig konduktivitet opnået på det tidspunkt var forskellige kombinationer af aromatiske ringe) kun kunne fungere ved temperaturer tæt på absolut nul (ca. 10 K).

Den høje effektivitet og stabilitet i den nye diode tyder på, at kombinationen af ​​organisk kemi og de etablerede tilgange til at arbejde med siliciumchips kan tjene som grundlag for et ægte gennembrud i molekylær elektronik. Selvfølgelig er den massive anvendelse af sådanne molekylære dioder stadig langt væk – på trods af at den nye diode er meget bedre end sine forgængere,Før du bruger sådanne enheder i elektroniske kredsløb, er det nødvendigt at øge både termisk stabilitet, strømstyrke og levetid. Ikke desto mindre er forskerne overbeviste om, at det er et meget reelt udsigter at udvide tiden til stabil drift af en molekylerdiode fra nogle få sekunder til et par måneder. Under alle omstændigheder vil resultaterne af at studere molekylerdioden være nyttige i den nærmeste fremtid. Den udviklede og succesfulde "blinkende metode" kan være nyttig til undersøgelse af mønstre af elektrisk ladningstransmission til andre systemer, hvor overfladen af ​​et metal eller en halvleder vil blive modificeret med organiske molekyler af forskellige strukturer.

Kilde: Albert C. Aragonès, Nadim Darwish, Simone Ciampi, Fausto Sanz, J. Justin Gooding og Ismael Díez-Pérez. Enkeltmolekyle elektriske kontakter på siliciumelektroder under omgivelsesforhold // Naturkommunikation. 2017. 8. DOI: 10.1038 / ncomms15056.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: