Deschiderea drumului pentru transferul de informații către circuite mici

Imagine STEM (microscopie electronică de transmisie cu scanare) a unui grup unidimensional de molecule F4TCNQ (galben-portocaliu) într-un dispozitiv de grafen reglabil prin poartă. Credit: Berkeley Lab

Îndepărtarea unei molecule încărcate dintr-o colecție unidimensională îi determină pe alții să o activeze sau să „oprească” alternativ, deschizând calea pentru transferul de informații către circuite mici.

Circuitele electronice mici ne hrănesc viața de zi cu zi, de la camerele mici de pe telefoanele noastre la microprocesoarele de pe computerele noastre. Pentru a face aceste dispozitive și mai mici, oamenii de știință și inginerii proiectează componente ale circuitelor din molecule unice. Nu numai că circuitele miniaturizate pot oferi avantajele creșterii densității dispozitivului, a vitezei și a eficienței energetice – de exemplu, în electronica flexibilă sau stocarea datelor – dar utilizarea proprietăților fizice ale moleculelor specifice poate duce la dispozitive cu funcționalități unice. Cu toate acestea, dezvoltarea unor dispozitive nanoelectronice practice din molecule unice necesită un control precis asupra comportamentului electronic al acestor molecule și o metodă fiabilă prin care să le fabrice.

Acum, așa cum a fost raportat în jurnal Electronica naturii, cercetătorii au dezvoltat o metodă pentru a fabrica o colecție unidimensională de molecule individuale și pentru a controla cu precizie structura sa electronică. Reglarea cu atenție a tensiunii aplicate unui lanț de molecule încorporate într-un carbon unidimensional (grafen), echipa condusă de cercetătorii de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Laboratorul Berkeley) a descoperit că ar putea controla dacă toate, nici una sau unele molecule poartă o sarcină electrică. Modelul de încărcare rezultat poate fi deplasat de-a lungul lanțului prin manipularea moleculelor individuale la capătul lanțului.

„Dacă veți construi echipamente electrice din molecule individuale, aveți nevoie de molecule care să aibă funcționalități utile și trebuie să înțelegeți cum să le aranjați într-un model util. Am făcut ambele lucruri în această lucrare ”, a spus Michael Crommie, un om de știință al facultății din cadrul Diviziei de știință a materialelor de laborator Berkeley, care a condus proiectul. Cercetarea face parte dintr-un program finanțat de către Departamentul de Energie al SUA (DOE) Office of Science on the Characterization of Functional Nanomachines, al cărui scop principal este de a înțelege proprietățile electrice și mecanice ale nanostructurilor moleculare și de a crea noi nanomachines. Pe baza moleculelor. capabil să convertească energia de la o formă la alta în nanoscală.

Caracteristica cheie a moleculei bogate în fluor selectată de echipa Berkeley Lab este tendința sa puternică de a accepta electroni. Pentru a testa proprietățile electronice ale unui lanț aranjat precis de 15 astfel de molecule depuse pe un substrat de grafen, Crommie, care este, de asemenea, profesor de fizică la UC Berkeley, și colegii săi au plasat un electrod metalic sub grafen, care a fost, de asemenea, separat de acesta prin un strat izolant subțire. Aplicarea unei tensiuni între molecule și electrod conduce electroni în interiorul sau în afara moleculelor. În acest fel, moleculele susținute de grafen se comportă oarecum ca un condensator, o componentă electrică utilizată într-un circuit pentru stocarea și eliberarea sarcinii. Dar, spre deosebire de un condensator macroscopic „normal”, prin reglarea tensiunii pe electrodul de jos, cercetătorii au putut controla ce molecule au devenit încărcate și care au rămas neutre.

Lanț molecular

O colecție unidimensională de molecule trece de la sarcina electrică (punct albastru) la neutru (punct gol) atunci când un număr impar de molecule este eliminat de la sfârșitul modelului. Acest lucru forțează un electron în ceea ce a fost odată a doua moleculă până la ultima, determinând celelalte molecule să-și schimbe starea de încărcare, schimbând astfel modelul alternativ de încărcare. Credit: Berkeley Lab

În studiile anterioare ale ansamblurilor moleculare, proprietățile electronice ale moleculelor nu ar putea fi ambii reglate și imagini la scări de lungime atomică. Fără capacitatea suplimentară de imagine, relația dintre structură și funcție nu poate fi pe deplin înțeleasă în contextul echipamentelor electrice. Prin plasarea moleculelor într-un model special conceput pe substratul de grafen dezvoltat în structura de utilizator a structurii științelor la scară nanomurală a moleculei de laborator Berkeley, Crommie și colegii săi s-au asigurat că moleculele sunt pe deplin accesibile atât pentru observarea microscopică, cât și pentru manipularea electrică.

Așa cum era de așteptat, aplicarea unei tensiuni puternice pozitive electrodului metalic sub grafenul care susține moleculele le-a umplut cu electroni, lăsând întregul grup molecular într-o stare încărcată negativ. Eliminarea sau inversarea acestei tensiuni a făcut ca toți electronii adăugați să părăsească moleculele, readucând întregul grup într-o stare de încărcare neutră. Cu toate acestea, la o tensiune intermediară, electronii umple doar orice altă moleculă din grup, creând astfel un model de „încărcare”. Crommie și echipa sa explică acest nou comportament prin faptul că electronii se resping reciproc. Dacă două molecule încărcate ar ocupa imediat siturile adiacente, atunci respingerea lor ar elimina unul dintre electroni și l-ar forța să se plaseze unul mai departe de linia moleculară.

“Putem face toate moleculele goale, sau toate complete sau alternative. Noi îl numim un model de sarcină colectivă, deoarece este determinat de repulsia electron-electron în întreaga structură”, a spus Crommie.

Calculele au sugerat că într-un grup de molecule cu sarcini alternative, molecula terminală din grup ar trebui să conțină întotdeauna un electron suplimentar, deoarece acea moleculă nu are un al doilea vecin care să provoace atracție. Pentru a investiga experimental acest tip de comportament, echipa Berkeley Lab a îndepărtat molecula finală într-un grup de molecule care aveau sarcini alternative. Ei au descoperit că modelul de încărcare original a fost deplasat de o moleculă: site-urile care au fost încărcate au devenit neutre și invers. Cercetătorii au ajuns la concluzia că înainte ca molecula terminală încărcată să poată fi îndepărtată, molecula atașată la ea trebuie să fi fost neutră. În noua sa poziție la sfârșitul grupului, a doua moleculă a fost încărcată anterior. Pentru a menține modelul alternativ între moleculele încărcate și cele neîncărcate, întregul model de încărcare a trebuit să fie deplasat de o moleculă.

Dacă sarcina fiecărei molecule este considerată a fi o informație redusă, atunci îndepărtarea moleculei finale determină deplasarea întregului model de informații cu o poziție. Acest comportament imită un jurnal electronic de schimbări într-un circuit digital și oferă noi oportunități de transmitere a informațiilor dintr-o regiune a unui dispozitiv molecular în alta. Mutarea unei molecule la un capăt al șirului poate servi ca revenire la oprirea sau oprirea unei taste în altă parte a dispozitivului, oferind funcționalități utile pentru un viitor circuit logic.

„Un lucru care ni s-a părut cu adevărat interesant în legătură cu acest rezultat este că am reușit să schimbăm încărcătura electronică și, prin urmare, proprietățile moleculelor de la o distanță mare. Acest nivel de control este ceva nou “, a spus Crommie.

Cu grupul lor molecular, cercetătorii au atins obiectivul de a crea o structură care are o funcționalitate foarte specifică; și anume o structură ale cărei sarcini moleculare pot fi reglate fin între diferite stări posibile prin aplicarea unei tensiuni. Schimbarea încărcării moleculelor determină o schimbare în comportamentul lor electronic și, ca urmare, în funcționalitatea întregului dispozitiv. Această lucrare a apărut dintr-o încercare a DOE de a construi nanostructuri moleculare de precizie care au o funcționalitate electromecanică bine definită.

Tehnica echipei Berkeley Lab pentru controlul modelelor de încărcare moleculară ar putea duce la noi proiecte pentru componente electronice la scară nanomodală, inclusiv tranzistoare și porți logice. Tehnica poate fi generalizată la alte materiale și încorporată în rețele moleculare mai complexe. O posibilitate este de a regla moleculele pentru a crea modele de sarcină mai complexe. De exemplu, înlocuirea unui atom cu alta într-o moleculă poate schimba proprietățile moleculei. Plasarea unor astfel de molecule modificate în grup poate crea noi funcționalități. Pe baza acestor rezultate, cercetătorii intenționează să exploreze funcționalitatea care apare din noile variații din matricile moleculare, precum și modul în care acestea ar putea fi utilizate ca componente de circuit mic. La urma urmei, ei intenționează să încorporeze aceste structuri în dispozitive la scară nano mai practice.

Referință: „Un registru de deplasare moleculară realizat utilizând modele încărcabile reglabile în matrice moleculare unidimensionale în grafen” de Hsin-Zon Tsai, Johannes Lischner, Arash A. Omrani, Franklin Liou, Andrew S. Aikawa, Christoph Karrasch, Sebastian Wickenburg, Alexander Riss, Kyler C. Natividad, Jin Chen, Won-Woo Choi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Chenliang Su, Steven G. Louie, Alex Zettl, Jiong Lu și Michael F. Crommie, 28 septembrie 2020, Electronica naturii.
DOI: 10.1038 / s41928-020-00479-4

Molecular Foundry este o facilitate de utilizare a DOE Science Office situat la Berkeley Lab.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.