IBM-onderzoekers meten energieniveaus van individuele moleculen op isolerende lagen met atoomkrachtmicroscopie

In een doorbraak vandaag gepubliceerd in Nature Nanotechnology, hebben IBM-wetenschappers voor het eerst de energieniveaus van een enkel molecuul op een isolerend oppervlak gekwantificeerd. Deze mijlpaal brengt ons een stap dichter bij praktische enkel-molecuul elektronische apparaten.

Achtergrond

Sinds de jaren 1980 heeft de atoomkrachtmicroscoop (AFM) wetenschappers in staat gesteld krachten in de orde van piconewtons te detecteren tussen een scherpe punt en een monster. In 2009 toonden IBM en medewerkers aan dat non-contact AFM de ladingstoestand van individuele atomen op een oppervlak kon bepalen. Op dat werk voortbouwend, breidt de huidige studie de techniek uit naar enkelvoudige moleculen op isolerende lagen, wat een langdurige uitdaging in het veld oplost.

Methodologie

Het team liet ultradunne multilagen van natriumchloride (NaCl) – gewoon zout – groeien op een metalen substraat. Deze architectuur isoleert het molecuul van het geleidende metaal, waardoor de ladingstoestand stabiel blijft. Met behulp van de AFM-punt pasten de onderzoekers een fijn afgestemde spanning toe terwijl ze de minieme krachten maatten die optraden als enkelvoudige elektronen tunnelden tussen de punt en het molecuul.

Door de tijd te meten die nodig is voor een elektron om op of af het molecuul te hoppen in beide richtingen, extraheerden de wetenschappers de benodigde energie voor elke ladingstoestandovergang. De resulterende herorganisatie-energie – de hoeveelheid energie die het systeem moet besteden om een verandering in lading te accommoderen – werd voor het eerst gemeten op een enkel molecuul in deze configuratie.

Belangrijkste bevindingen

De studie focuste op een enkel naphthalocyanine (NPc) molecuul. De AFM's krachtgevoeligheid bereikte het zeptoampère (10^–21 A) regime, wat de detectie van een enkel elektron elke paar seconden mogelijk maakte. Deze ongekende gevoeligheid stelde het team in staat om energieniveaus te bepalen voor zowel elektrontoevoeging als -verwijderingsprocessen, een capaciteit die eerder ontbrak in enkel-molecuul studies.

"De mogelijkheid om energieniveaus in beide richtingen te meten ontbrak eerder," zei IBM-fysicus Leo Gross. "Onze AFM-methode laat ons nu de volledige ladingstoestandslandschap van een molecuul op een isolator in kaart brengen.

"De verandering in atoomposities geïnduceerd door laden verandert de energieniveaus significant, wat elektronoverdrachtsnelheden met verschillende orde van grootte kan tunen," voegde Shadi Fatayer, de eerste auteur van de studie, toe.

Implicaties

Deze bevindingen hebben brede implicaties voor het ontwerp van nanoschaal elektronische componenten, inclusief defectkarakterisering in halfgeleiderchips, fotovoltaïsche apparaten, en organische halfgeleiders. Door te begrijpen hoe individuele moleculen interageren met isolerende omgevingen, kunnen ingenieurs de ladingstransport op de ultieme schaal van apparaatfabricatie beter voorspellen en controleren.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1