Команда, возглавляемая Латой Венкатараман, профессором прикладной физики и химии в Columbia Engineering, и Ксавьером Роем, доцентом химии (Arts Sciences), опубликовал сегодня в Nature Nanotechnology исследование, которое первым воспроизводимо демонстрирует блокировку тока — способность переключать устройство из изолирующего в проводящее состояние, когда заряд добавляется и удаляется по одному электрону за раз — с использованием атомарной точности. молекулярные кластеры при комнатной температуре.Бонни Чой, аспирантка группы Роя и соавтор работы, создала единый кластер из геометрически упорядоченных атомов с неорганической сердцевиной, состоящей всего из 14 атомов — в результате получился диаметр около 0,5 нанометра — и расположила линкеры, соединяющие сердечник с двумя золотыми электродами, подобно тому, как резистор припаян к двум металлическим электродам, чтобы сформировать макроскопическую электрическую цепь (например, нить накала в лампочке).
Исследователи использовали метод сканирующего туннельного микроскопа, который они первыми создали для создания переходов, состоящих из одного кластера, соединенного с двумя золотыми электродами, что позволило им охарактеризовать его электрический отклик при изменении приложенного напряжения смещения. Этот метод позволяет им изготавливать и измерять тысячи переходов с воспроизводимыми транспортными характеристиками.«Мы обнаружили, что эти кластеры могут очень хорошо работать как наноразмерные диоды при комнатной температуре, чей электрический отклик мы можем адаптировать, изменяя их химический состав», — говорит Венкатараман. «Теоретически один атом — это наименьший предел, но одноатомные устройства не могут быть изготовлены и стабилизированы при комнатной температуре. С помощью этих молекулярных кластеров мы полностью контролируем их структуру с атомной точностью и можем изменять элементный состав и структуру в управляемый способ вызвать определенный электрический отклик ".
В ряде исследований квантовые точки использовались для получения аналогичных эффектов, но поскольку точки намного больше и неоднородны по размеру, из-за характера их синтеза результаты не воспроизводились — не все устройства, созданные с квантовыми точками, вели себя. так же. Команда Венкатарамана-Роя работала с меньшими неорганическими молекулярными кластерами, которые были идентичны по форме и размеру, поэтому они точно знали — вплоть до атомного масштаба — что они измеряли.
«В большинстве других исследований были созданы одномолекулярные устройства, которые функционировали как одноэлектронные транзисторы при четырех градусах Кельвина, но для любого реального применения эти устройства должны работать при комнатной температуре. И наши так и делают», — говорит Джакомо Ловат. постдокторант и соавтор статьи. «Мы создали транзистор молекулярного масштаба с множеством состояний и функций, в котором мы можем контролировать точное количество заряда, который проходит через него.
Удивительно видеть, что простые химические изменения в молекуле могут иметь глубокое влияние на электронная структура молекул, приводящая к различным электрическим свойствам ».Команда оценила характеристики диода через коэффициент включения / выключения, который представляет собой соотношение между током, протекающим через устройство, когда оно включено, и остаточным током, все еще присутствующим в его «выключенном» состоянии. При комнатной температуре они наблюдали соотношение включения / выключения около 600 в монокластерных переходах, что выше, чем у любых других одномолекулярных устройств, измеренных на сегодняшний день. Особенно интересным было то, что эти переходы характеризовались «последовательным» режимом протекания заряда; каждый электрон, проходящий через кластерный переход, на некоторое время останавливался на кластере.
Обычно в соединениях малых молекул электроны, "проталкиваемые" через соединение приложенным смещением, совершают непрерывный скачок от одного электрода к другому, так что количество электронов на молекуле в каждый момент времени точно не определено. .«Мы говорим, что кластер становится« заряженным », поскольку в течение короткого промежутка времени, прежде чем переходящий электрон перескочит на другой металлический электрод, он сохраняет один дополнительный заряд», — говорит Рой. «Такой последовательный или дискретный режим проводимости обусловлен своеобразной электронной структурой кластера, которая удерживает электроны на сильно локализованных орбиталях. Эти орбитали также объясняют наблюдаемый режим« токовой блокады », когда к переходу кластера прикладывается низкое напряжение смещения. ток падает до очень небольшого значения при низком напряжении, поскольку электроны в металлическом контакте не обладают достаточной энергией, чтобы занять одну из орбиталей кластера.При повышении напряжения первая орбиталь кластера, которая становится энергетически доступной, открывает жизнеспособный путь для электроны, которые теперь могут прыгать в кластер и выходить из него, что приводит к последовательным событиям «зарядки» и «разрядки». Блокада снимается, и через соединение начинает течь ток ».
Исследователи адаптировали кластеры, чтобы изучить влияние изменения состава на электрический отклик кластеров, и планируют опираться на свое первоначальное исследование. Они будут проектировать улучшенные кластерные системы с лучшими электрическими характеристиками (например, более высоким коэффициентом включения / выключения, различными доступными состояниями) и увеличивать количество атомов в ядре кластера, сохраняя атомную точность и однородность соединения. Это увеличило бы количество энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенной электронной орбите, к которой они могут получить доступ с помощью своего окна напряжения.
Увеличение уровней энергии повлияет на соотношение включения / выключения устройства, возможно, также уменьшит мощность, необходимую для включения устройства, если больше уровней энергии станут доступными для проходящих электронов при низких напряжениях смещения.«Большинство исследований транспорта одиночных молекул проводилось на простых органических молекулах, потому что с ними легче работать», — отмечает Венкатараман. «Наши совместные усилия в рамках Columbia Nano Initiative объединяют химию и физику, позволяя нам экспериментировать с новыми соединениями, такими как эти молекулярные кластеры, которые могут быть не только более сложными с синтетической точки зрения, но и более интересными в качестве электрических компонентов».