Исследователи из Колумбии объявили сегодня, что они создали нанопроволоку длиной 2,6 нанометра, которая демонстрирует необычное увеличение проводимости при увеличении длины провода и обладает квазиметаллическими свойствами. Его превосходная проводимость открывает большие перспективы для области молекулярной электроники, позволяя электронным устройствам становиться еще мельче. Исследование опубликовано сегодня в Природная химия.

Конструкции молекулярных проволок

Команда исследователей из Columbia Engineering и химического факультета Колумбийского университета вместе с теоретиками из Германии и химиками-синтетиками из Китая исследовали конструкции молекулярных проводов, которые поддерживали бы неспаренные электроны на обоих концах, поскольку такие провода образовывали бы одномерные аналоги топологических изоляторов (TI), которые обладают высокой проводимостью по краям. но изолирующий в центре.

В то время как простейший 1D TI состоит только из атомов углерода, где концевые атомы углерода поддерживают радикальные состояния - неспаренные электроны, эти молекулы, как правило, очень нестабильны. Углерод не любит иметь неспаренные электроны. Замена концевых атомов углерода, где находятся радикалы, азотом повышает стабильность молекул. "Это делает 1D TIS, изготовленные из углеродных цепей, но оканчивающиеся азотом, намного более стабильными, и мы можем работать с ними при комнатной температуре в условиях окружающей среды", - сказал соруководитель команды Лата Венкатараман, профессор прикладной физики Лоуренса Гуссмана и профессор химии.

Нарушение правила экспоненциального спада

Благодаря сочетанию химического дизайна и экспериментов группа создала серию одномерных TI и успешно нарушила правило экспоненциального распада, формулу для процесса уменьшения количества со скоростью, пропорциональной его текущему значению. Используя два состояния с радикальными краями, исследователи создали высокопроводящий путь через молекулы и добились "обратного спада проводимости", то есть системы, которая демонстрирует увеличивающуюся проводимость с увеличением длины провода.

"Что действительно интересно, так это то, что наша проволока имела проводимость в том же масштабе, что и у точечных контактов золото-металл-металл, что говорит о том, что сама молекула обладает квазиметаллическими свойствами", - сказал Венкатараман. "Эта работа демонстрирует, что органические молекулы могут вести себя как металлы на уровне одной молекулы, в отличие от того, что делалось в прошлом, когда они в основном были слабопроводящими".

Исследователи разработали и синтезировали молекулярный ряд бис (триариламинов), который проявлял свойства одномерного TI путем химического окисления. Они провели измерения проводимости одномолекулярных соединений, где молекулы были соединены как с исходным, так и с дренажным электродами. С помощью измерений команда показала, что более длинные молекулы обладают более высокой проводимостью, которая работала до тех пор, пока проволока не стала длиннее 2,5 нанометров, что соответствует диаметру нити человеческой ДНК.

Закладываем основу для новых технологических достижений в области молекулярной электроники

"Лаборатория Венкатарамана всегда стремится понять взаимодействие физики, химии и инженерии одномолекулярных электронных устройств", - добавил Лян Ли, аспирант лаборатории и один из первых авторов статьи. "Таким образом, создание этих конкретных проводов заложит основу для крупных научных достижений в понимании транспорта с помощью этих новых систем. Мы очень рады нашим выводам, потому что они проливают свет не только на фундаментальную физику, но и на потенциальные приложения в будущем ".

В настоящее время группа разрабатывает новые конструкции для создания молекулярных проводов, которые еще длиннее и по-прежнему обладают высокой проводимостью.