电荷沿着分子链串联:为信息在微小电路中传递铺平道路

F4TCNQ分子阵列

在栅极可调石墨烯器件上,F4TCNQ分子(黄橙色)一维阵列的STEM(扫描透射电子显微镜)图像。信贷:伯克利实验室

从一维阵列中去掉一个带电分子,其他分子就会交替打开或关闭,为信息在微小电路中传递铺平了道路。

小的电子电路为我们的日常生活提供动力,从我们手机里的微型摄像头到我们电脑里的微处理器。为了使这些设备更小,科学家和工程师们正在用单分子设计电路元件。微型化的电路不仅提供了增加器件密度、速度和能源效率的好处——例如在柔性电子或数据存储领域——而且利用特定分子的物理特性可以使器件具有独特的功能。然而,从单分子上开发实用的纳米电子器件需要精确控制这些分子的电子行为,以及制造它们的可靠方法。

正如《华尔街日报》报道的那样电子性质在美国,研究人员已经开发出一种方法,可以制造单个分子的一维阵列,并精确控制其电子结构。通过对嵌入一维碳(石墨烯由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员领导的研究小组发现,它可以控制所有、没有或部分分子携带电荷。通过操纵链末端的单个分子,产生的电荷模式可以沿着链移动。

“如果你要用单个分子来制造电子设备,你需要有有用功能的分子,你需要弄清楚如何将它们排列成有用的模式。我们在这项工作中做到了这两件事,”伯克利实验室材料科学部的高级教师科学家迈克尔·克伦米(Michael Crommie)说,他领导了这个项目。这项研究的一部分,美国能源部(DOE)办公室Science-funded程序功能的纳米特性,其总体目标是理解分子纳米结构的电气和机械性能,并创建基于新的分子纳米能够将能量从一种形式转换为另一个在纳米尺度上。

伯克利实验室团队选择的富氟分子的关键特征是其强烈的接受电子的倾向。为了控制沉积在石墨烯衬底上的15个分子精确排列的链的电子特性,同时也是加州大学伯克利分校物理学教授的克伦米和他的同事们在石墨烯下面放置了一个金属电极,电极与石墨烯之间也有一层薄薄的绝缘层隔开。在分子和电极之间施加电压,驱动电子进入或离开分子。在这种情况下,石墨烯支撑的分子表现得有点像电容器,电容器是电路中用来储存和释放电荷的电子元件。但是,与“正常”的宏观电容器不同的是,通过调节底部电极上的电压,研究人员可以控制哪些分子带电,哪些分子保持中性。

分子链

当从图案末端去掉奇数个分子时,一维分子阵列就会从带电的(蓝点)转变为中性的(空点)。这迫使一个电子进入原本倒数第二的分子,导致其他分子改变电荷状态,从而改变电荷的交替模式。信贷:伯克利实验室

在以前的分子组装的研究中,分子的电子性质是不可能的这两个在原子长度尺度上调整和成像。如果没有额外的成像能力,结构和功能之间的关系就不能在电子设备的背景下被充分理解。通过在伯克利实验室的分子铸造机纳米尺度科学用户设施开发的石墨烯衬底上放置一个特别设计的模板,克伦米和他的同事们确保了分子可以完全用于显微镜观察和电子操作。

正如预期的那样,在支撑分子的石墨烯下方的金属电极上施加一个强大的正电压,使分子充满电子,使整个分子阵列处于负电荷状态。移除或逆转这个电压会导致所有添加的电子离开分子,使整个阵列回到电荷中性状态。然而,在中间电压下,电子只会填满阵列中的其他分子,从而产生“棋盘”式的电荷。克伦米和他的团队用电子相互排斥这一事实来解释这种新奇的行为。如果两个带电分子暂时占据相邻的位置,那么它们的斥力会将其中一个电子推离,迫使它在分子排的另一个位置定居。

“我们可以让所有的分子都不带电荷,或全部充满电荷,或交替使用。我们称之为集体电荷模式,因为它是由整个结构的电子-电子斥力决定的,”克伦米说。

计算表明,在一个交替电荷的分子阵列中,该阵列的末端分子应该总是包含一个额外的电子,因为该分子没有第二个邻居来引起斥力。为了对这种行为进行实验研究,伯克利实验室的研究小组移除了一系列具有交替电荷的分子中的最后一个分子。他们发现原来的电荷模式被一个分子改变了:带电荷的位置变成了中性,反之亦然。研究人员得出结论,在带电荷的末端分子被移走之前,它旁边的分子一定是中性的。在阵列末端的新位置上,原来的第二个分子就带电荷了。为了保持带电和不带电分子之间的交替模式,整个电荷模式必须移动一个分子。

如果把每个分子的电荷看作是一点信息,那么去掉最后一个分子会使整个信息模式移动一个位置。这种行为模仿了数字电路中的电子移位寄存器,为将信息从分子器件的一个区域传输到另一个区域提供了新的可能性。移动阵列一端的分子,就像在设备的其他地方打开或关闭开关一样,为未来的逻辑电路提供有用的功能。

“关于这个结果,我们发现了一件非常有趣的事情,那就是我们能够从很远的地方改变电荷,从而改变分子的性质。这种控制水平是新出现的。”

通过他们的分子阵列,研究人员实现了创造一种具有特定功能的结构的目标;也就是说,这种结构的分子电荷可以通过施加电压在不同的可能状态之间进行微调。改变分子的电荷会改变它们的电子行为,从而改变整个设备的功能。这项工作源于美国能源部的一项努力,即构建具有明确机电功能的精确分子纳米结构。

伯克利实验室团队控制分子电荷模式的技术可能导致纳米级电子元件的新设计,包括晶体管和逻辑门。该技术也可推广到其他材料,并可应用到更复杂的分子网络中。一种可能性是调整分子以产生更复杂的电荷模式。例如,替换一个原子与另一个分子结合可以改变分子的性质。将这些改变过的分子放置在阵列中可以创造新的功能。基于这些结果,研究人员计划探索分子阵列的新变化所产生的功能,以及它们如何可能被用作微小电路元件。最终,他们计划将这些结构整合到更实用的纳米级设备中。

参考:“分子移位寄存器使用可调收费模式在一维石墨烯分子阵列”Hsin-Zon蔡,Johannes Lischner,乔A . Omrani富兰克林Liou, Andrew s . Aikawa Christoph Karrasch塞巴斯蒂安·肯勃格,亚历山大•里斯期凯尔c . Natividad陈进,崔Won-Woo吴克群渡边隆谷口,Chenliang苏,史蒂文·g·路易Alex Zettl Michael f . Crommie Jiong Lu和2020年9月28日,电子性质
DOI: 10.1038 / s41928 - 020 - 00479 - 4

分子铸造厂是美国能源部位于伯克利实验室的科学用户设施办公室。

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