IBM-wetenschappers meten de energieniveaus van afzonderlijke moleculen op isolatoren

Shadi Fatayer , een pre-doc bij IBM Research en de eerste auteur van het artikel

Ons begrip van elektronica met één molecuul is duidelijker geworden en het antwoord was het gebruik van een gewoon huishoudelijk artikel - zout.

Voortbouwend op een eerder artikel in 2009, waar IBM-wetenschappers en medewerkers het vermogen aantoonden om de ladingstoestand van individuele atomen te meten met behulp van contactloze atoomkrachtmicroscopie (AFM), zijn ze nu een stap verder gegaan door de energieniveaus van afzonderlijke moleculen op isolatoren, voor de eerste keer. Het onderzoek verschijnt vandaag in het peer-reviewed tijdschrift Nature Nanotechnology .

De atoomkrachtmicroscoop, uitgevonden in het midden van de jaren tachtig, meet kleine krachten tussen de punt en het monster, zoals een molecuul op een drager. De punt is een multifunctioneel, nauwkeurig instrument dat moleculen kan afbeelden met een ongekende resolutie en zelfs nooit eerder vertoonde moleculaire reacties kan veroorzaken.

Elektronica schalen

Dichtheid functioneel theoretische analyse van naftalocyanine op NaCl (5 ML). 2D-contourgrafiek van het berekende verschil in ladingsdichtheid tussen NPc+ en NPc0 naar buiten toe geïntegreerd vanuit het moleculaire geo+ geo+ vlak naar het vacuümgebied. (Tegoed:natuur nanotechnologie)

Als je ooit een elektronisch apparaat hebt opengebroken, zoals een pc of zelfs een digitale wekker, zou je hebben ontdekt wat bekend staat als een printplaat (PCB). Deze typisch groene borden zien eruit als kaarten die alle elektronische componenten van het apparaat tonen, inclusief zogenaamde geleidende sporen. Deze sporen voeren elektrische stroom, zoals spoorbanen, door het hele bord, zodat het apparaat kan werken. De platen bevatten ook isolerende lagen die de sporen beschermen tegen stroomlekkage. Zonder deze lagen zouden zelfs kleine elektronische apparaten meer energie nodig hebben om te functioneren.

Bij het evalueren van de basisbouwstenen van diezelfde pc of klok, maar in moleculaire elektronica, zouden we een vergelijkbare opstelling zien met enkele moleculen als geleidende sporen en enkele elektronen die van de moleculen worden overgedragen. Terwijl de isolerende laag nuttig is op de PCB, heeft het vergelijkbare onderliggende isolerende substraat, op deze schaal, verdere effecten waarmee rekening moet worden gehouden.

"Terwijl een molecuul op een isolator wordt geladen, zullen de atomen in het molecuul ontspannen om deze extra lading op te vangen, en net zo belangrijk, de kernen in de isolator ook. Omdat het molecuul bovenop een isolator zit, is elektronische karakterisering van zo'n systeem erg moeilijk." zei Shadi Fatayer, een pre-doc bij IBM Research en de eerste auteur van het artikel.

Hij voegt eraan toe:"Deze verandering in de positie van de atomen heeft invloed op hun energieniveaus, wat drastische effecten heeft als het gaat om het overbrengen van een enkel elektron tussen moleculen. De overdrachtssnelheid van elektronen zou kunnen worden afgestemd om verschillende ordes van grootte te variëren.”

Klik voor animatie

Het team van wetenschappers van IBM, University of Liverpool, Chalmers University en University of Regensburg probeerde een andere benadering om dit probleem aan te pakken.

Ze kweekten eerst meerdere lagen NaCl, ook bekend als natriumchloride of zout, dat als isolatiemateriaal diende, bovenop een metalen substraat. Een dergelijk systeem zorgt ervoor dat de moleculen die bovenop worden geabsorbeerd hun ladingstoestand stabiel hebben en ontkoppeld van het metalen oppervlak.

Toen dacht het team na:"Hoe meten we reorganisatie-energieën?" Experimenteel wordt het gedaan met moleculen in oplossing, met moleculen bovenop een metaal, maar tot nu toe was er geen techniek waarmee individuele moleculen bovenop een isolator konden worden onderzocht.

Hun unieke aanpak bestaat uit het gebruik van de AFM en enkele elektronen. Enkele elektronen worden gebruikt om ladingstoestandovergangen van twee gedefinieerde ladingstoestanden in beide richtingen te onderzoeken. In het experiment testen de wetenschappers hun methode op een enkel naftalocyaninemolecuul.

IBM-onderzoekers Shadi Fatayer, Leo Gross en Gerhard Meyer in hun lab.

Zoals eerder gepubliceerd, wisten de auteurs dat ze de AFM betrouwbaar konden gebruiken om verschillende laadtoestanden te meten bovenop een ultradunne isolator met gevoeligheid voor één elektron. Ze demonstreerden onlangs ook beeldvorming van stabiel geladen moleculen en het overbrengen van enkele elektronen tussen moleculen bovenop een dikkere isolator. Het vermogen om reorganisatie-energieën te meten vereist echter het meten van de energieniveaus die overeenkomen met bepaalde overgangen van ladingstoestanden.

“Voorafgaand aan dit werk wisten we hoe we de elektrische stroom door het molecuul moesten meten. Dit werkte echter maar in één richting voor een bepaalde orbitaal. Toen we de energie konden meten om een ​​elektron aan een bepaalde baan te hechten, zouden we nooit de energie kunnen meten om één elektron uit die baan te verwijderen en vice versa. Het vermogen om in beide richtingen te meten – dat ontbrak”, zegt IBM-natuurkundige Leo Gross. “Met onze AFM-methode meten we de energieniveaus in beide ladingstoestandveranderingsrichtingen op een dunnefilmsubstraat. Maar het is ongelooflijk veeleisend werk dat zich bezighoudt met zeer zwakke signalen, wat betekent dat er veel zorgvuldige metingen nodig zijn om een ​​goede statistische analyse uit te voeren.”

Hij voegt eraan toe:"Met deze nieuwe methode gebruiken we de punt en de kracht die op de punt wordt uitgeoefend om afzonderlijke elektronen te tellen. We passen de hoogte en het voltage van de tip aan en tellen dan hoe lang het duurt voordat het ene elektron naar (of van) de tip gaat en hieruit kun je de energieniveaus halen.”

"Onze grootste uitdaging was dat de tip verder weg was dan normaal om tunnelinggebeurtenissen op de juiste manier te meten", voegt Fatayer toe. "De zeer zwakke krachten die we hebben gemeten, worden geassocieerd met stromen in de zepto Ampere-schaal - dat is 10 tot de min 21 (10 ^{− 21} ). De meeste natuurkundigen hoeven dit voorvoegsel nooit te gebruiken, maar we doen het door elke paar seconden een elektron te meten. We gebruiken de AFM letterlijk als een één-elektron stroommeter.”

Hoewel dit zeer fundamenteel onderzoek is, strekken de toepassingen zich uit van elektronische apparaten, bijvoorbeeld tot karakterisering van defecten in chips, tot fotovoltaïsche en organische halfgeleiders.