Новости космоса и технологий. » Нанотехнологии » Каскад зарядов по молекулярной цепочке

Каскад зарядов по молекулярной цепочке

Опубликовал: Admin, 15-11-2020, 01:01, Нанотехнологии, 38, 0

Каскад зарядов по молекулярной цепочке

Маленькие электронные схемы питают нашу повседневную жизнь, от крошечных камер в наших телефонах до микропроцессоров в наших компьютерах. Чтобы сделать эти устройства еще меньше, ученые и инженеры конструируют компоненты схем из отдельных молекул. Мало того, что миниатюрные схемы могут предложить преимущества повышенной плотности устройства, скорости и энергоэффективности - например, в гибкой электронике или хранении данных, - но использование физических свойств конкретных молекул может привести к устройствам с уникальными функциями. Однако разработка практических наноэлектронных устройств из отдельных молекул требует точного контроля над электронным поведением этих молекул и надежного метода их изготовления.

Теперь, как сообщается в журнале Природа Электроника , исследователи разработали метод изготовления одномерного массива индивидуумов молекулы и точно контролировать его электронная структура . Тщательно настраивая напряжение, прикладываемое к цепочке молекул, встроенных в одномерный углеродный (графеновый) слой, группа ученых под руководством исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) обнаружила, что они могут контролировать все, ни одну или некоторые из них. молекулы несут электрический заряд . Полученный образец заряда затем можно было сдвинуть вдоль цепи, манипулируя отдельными молекулами на конце цепи.

«Если вы собираетесь строить электрические устройства из отдельных молекул, вам нужны молекулы, которые обладают полезными функциями, и вам нужно выяснить, как расположить их в полезном шаблоне. Мы сделали обе эти вещи в этой работе», - сказал Майкл. Кромми, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли, который руководил проектом. Исследование проводится в рамках финансируемой Управлением науки Министерства энергетики США (DOE) программы по характеристике функциональных наномашин, общей целью которой является понимание электрических и механических свойств молекулярных наноструктур и создание новых наномашин на основе молекул, способных к преобразование энергии из одной формы в другую в наномасштабе.

Ключевой особенностью молекулы, богатой фтором, выбранной командой Berkeley Lab, является ее сильная тенденция принимать электроны. Чтобы контролировать электронные свойства точно выровненной цепочки из 15 таких молекул, нанесенных на графеновую подложку, Кромми, который также является профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, и его коллеги поместили металлический электрод под графен, который также был отделен от него тонкий изоляционный слой. Приложение напряжения между молекулами и электродом заставляет электроны входить в молекулы или выходить из них. Таким образом, поддерживаемые графеном молекулы ведут себя как конденсатор, электрический компонент, используемый в цепи для хранения и высвобождения заряда. Но, в отличие от «обычного» макроскопического конденсатора, путем настройки напряжения на нижнем электроде исследователи могли контролировать, какие молекулы становились заряженными, а какие оставались нейтральными.

В предыдущих исследованиях молекулярных ансамблей электронные свойства молекул не могли быть одновременно настроены и отображены на атомных масштабах длины. Без дополнительных возможностей визуализации взаимосвязь между структурой и функцией не может быть полностью понята в контексте электрических устройств. Разместив молекулы в специально разработанном шаблоне на графеновой подложке, разработанной в лаборатории наноразмеров Molecular Foundry лаборатории Беркли, Кромми и его коллеги обеспечили полный доступ к молекулам как для наблюдения под микроскопом, так и для электрических манипуляций.

Как и ожидалось, приложение сильного положительного напряжения к металлическому электроду под графеном, поддерживающим молекулы, заполнило их электронами, оставив весь молекулярный массив в отрицательно заряженном состоянии. Удаление или реверсирование этого напряжения заставило все добавленные электроны покинуть молекулы, вернув весь массив в нейтральное состояние. Однако при промежуточном напряжении электроны заполняют только все остальные молекулы в массиве, создавая таким образом "шахматную" диаграмму заряда. Кромми и его команда объясняют это новое поведение тем, что электроны отталкиваются друг от друга. Если бы две заряженные молекулы на мгновение заняли соседние позиции, то их отталкивание оттолкнуло бы один из электронов и заставило бы его осесть на одну позицию ниже по молекулярному ряду.

«Мы можем сделать все молекулы пустыми или полностью заполненными, или чередующимися. Мы называем это коллективным зарядом, потому что он определяется электрон-электронным отталкиванием по всей структуре», - сказал Кромми.

Расчеты показали, что в массиве молекул с чередующимися зарядами конечная молекула в массиве всегда должна содержать один дополнительный электрон, поскольку у этой молекулы нет второго соседа, который мог бы вызвать отталкивание. Чтобы экспериментально исследовать этот тип поведения, команда лаборатории Беркли удалила последнюю молекулу в массиве молекул с чередующимися зарядами. Они обнаружили, что первоначальный заряд был сдвинут на одну молекулу: участки, которые были заряжены, стали нейтральными, и наоборот. Исследователи пришли к выводу, что до удаления заряженной концевой молекулы соседняя с ней молекула должна была быть нейтральной. В своем новом положении в конце массива ранее вторая молекула стала заряженной. Чтобы поддерживать чередование заряженных и незаряженных молекул, вся диаграмма заряда должна была сдвинуться на одну молекулу.

Если представить заряд каждой молекулы как бит информации, то удаление последней молекулы приводит к смещению всей структуры информации на одну позицию. Такое поведение имитирует электронный сдвиговый регистр в цифровой схеме и предоставляет новые возможности для передачи информации из одной области молекулярного устройства в другую. Перемещение молекулы на одном конце массива может служить включением или выключением переключателя в другом месте устройства, обеспечивая полезную функциональность для будущей логической схемы.

«Одна вещь, которая нам показалась действительно интересной в этом результате, заключается в том, что мы смогли изменить электронный заряд и, следовательно, свойства молекул с очень большого расстояния. Такой уровень контроля - что-то новое», - сказал Кромми.

С помощью своего молекулярного массива исследователи достигли цели создания структуры с очень специфической функциональностью; то есть структура, молекулярные заряды которой могут быть точно настроены между различными возможными состояниями путем приложения напряжения. Изменение заряда молекул вызывает изменение их электронного поведения и, как следствие, функциональности всего устройства. Эта работа стала результатом усилий Министерства энергетики США по созданию точных молекулярных наноструктур, обладающих четко определенной электромеханической функциональностью.

Методика управления молекулярным зарядом, разработанная командой лаборатории Беркли, может привести к созданию новых конструкций наноразмерных электронных компонентов, включая транзисторы и логические вентили. Этот метод также может быть распространен на другие материалы и включен в более сложные молекулярные сети. Одна из возможностей - настроить молекулы для создания более сложных схем заряда. Например, замена одного атома другим в молекуле может изменить свойства молекулы. Размещение таких измененных молекул в массиве может создать новую функциональность. Основываясь на этих результатах, исследователи планируют изучить функциональные возможности, возникающие в результате новых вариаций в молекулярных массивах, а также то, как их потенциально можно использовать в качестве крошечных компонентов схемы. В конечном итоге они планируют внедрить эти структуры в более практичные устройства нанометрового масштаба.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии