Ученые приблизились к пониманию транспорта заряда в молекулярных соединениях
Понимание того, как электрический заряд путешествует по цепям, состоящим из присоединенных к металлическим электродам отдельных органических молекул, критично для разработки наномасштабных электронных компонент будущего. Теперь исследователи из США еще немного приблизились к построению детальной теории; они показали, что внешняя среда, окружающая такую единичную молекулу, может существенно влиять на характер транспорта заряда. Ученые объяснили этот механизм при помощи вычислительного эксперимента.
Большинство существующих электронных устройств сделаны на основе полупроводниковых материалов, например, кремния. Однако не только традиционные неорганические вещества могут иметь «полезные» для человека свойства. Аналогичными полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые органические соединения. Таким образом, для производства наномасштабных электронных устройств, содержащих множество небольших цепей, интегрированных на одном чипе, теоретически могут быть применимы также органические молекулы, имеющие строение, крайне не похожее на полупроводник.
Для изучения электронных свойств отдельных молекул, совместная группа ученых из Columbia University и Lawrence Berkeley National Lab (США) модифицировала методику сканирующей туннельной микроскопии (scanning tunnelling microscope, STM), а также технику разрыва соединений. В рамках своего эксперимента ученые периодически формировали и разрывали одно единственное молекулярное соединение при помощи электродов, выполненных из золота. При этом измерения проводимости были направлены на «целевую» молекулу – 1,4-бензолдиамин, диссоциирующую в различных растворителях (в том числе, хлорбензоле, бромбензоле и йодбензоле). Подробные результаты работы приведены в журнале Nano Letters.
В ходе эксперимента было обнаружено, что проводимость «целевой» молекулы повышается почти на 50% при замене растворителя (с хлорбензола на йодбензол). Для объяснения механизма возникновения подобного эффекта, ученые использовали теоретические вычисления, показавшие, что молекулы растворителя связываются с металлическими электродами и «целевой» молекулой, изменяя характер проводимости.
Если рассмотреть ситуацию на более детальном уровне, растворитель, связываясь с электродами и «целевой» молекулой, изменяя работу выхода металла (в данном случае – золота). Таким образом, снижается разница между уровнем Ферми металла и наиболее высоким занятым энергетическим уровнем в 1,4-бензолдиамине. Это выражается в повышении проводимости системы.
Работа американских ученых предлагает новый способ исследования молекулярной проводимости, а механизм, предложенный в рамках эксперимента, в будущем мог бы применяться для создания химических датчиков. Такой подход мог бы поднять проводимость отдельных молекул, так, чтобы их сигналы можно было зафиксировать на фоне случайного шума стандартных инструментов.
