Химики из Кореи и США показали, что ток, протекающий через транзистор, состоящий из единичной молекулы, может регулироваться за счет тонкой подстройки энергии молекулярных орбиталей молекулы-транзистора.

Молекула дитиобензола связана с концами золотого нанопровода. (Рисунок из Nature, 2009, DOI:10.1038/nature08639)

Полевые транзисторы, основа компьютерных микросхем, обладают тремя электродами. За счет электродов истока и стока ток движется по транзистору, в то же самое время управляющий электрод контролирует силу протекающего тока, накладывая дополнительное напряжение смещения.

Ли поясняет, что хотя мономолекулярные версии полевых транзисторов были получены и ранее, свидетельства о контроле силы тока за счет прямого электростатического взаимодействия с управляющим электродом и молекулярными орбиталями пока так и не были получены. Сложность заключается как в получении мономолекулярных устройств, так и в измерении их свойств. Ли добавляет, что для получения устойчивых результатов его исследовательской группе потребовалось почти десятилетие работы.

Для получения мономолекулярных транзисторов исследователям было необходимо захватить молекулу – предмет интереса, между электродами истока и стока. Для достижения этой цели был использован уже достаточно известный процесс электромиграции, заключающийся в том, что протекающий через золотой нанопровод ток большой силы способствует перемещению атомов золота. Если на нанопровод нанесены представляющие интерес молекулы, через какое-то время эти молекулы могут оказаться захваченными между двумя концами нанопровода. Образующийся ассоциат нанопровода с молекулой-транзистором располагается на подложке из окисленного алюминия, играющей роль управляющего электрода.

Для демонстрации того, что затворное напряжение действительно оказывает влияние на молекулярные орбитали захваченной молекулы, исследователи применили спектроскопию жесткого туннелирования электронов [inelastic electron tunnelling spectroscopy(IET)]. Использованный метод позволяет наблюдать за взаимодействием токопроводящих электронов с орбиталями молекулы-транзистора, наблюдая колебания молекулы, инициированные туннелированием электроном между электродами истока и стока. Исследователи изучили две различные молекулы, обе из которых были связаны с золотым нанопроводом через тиольные группы. Наблюдения показали, что для ароматического 1,4-дитиобензола наложение затворного напряжения приводит к изменению спектра IET (для различного значения напряжения наблюдались различные изменения спектральной картины), а для алифатического 1,8-дитиооктана таких изменений не наблюдалось.

Полученные результаты позволяют говорить о том, что хотя обе молекулы могут функционировать как полевые транзисторы, для них наблюдается различная картина взаимодействия с затворным напряжением, обусловленная различием их молекулярных орбиталей. Результаты работы Ли и Рида позволят предсказать поведение молекул в электронных системах на основании картины их молекулярных орбиталей.

Ли поясняет, что хотя проведенные измерения позволили подтвердить ранее сформулированные теоретические закономерности, до разработки серийных работающих устройств, основанных на молекулярной электронике, предстоит еще долгий путь. Одна из причин заключается в том, что процесс электромиграции трудно контролировать, и, поэтому, он позволяет небольшое количество работающих устройств (из 418 полученных исследователями устройств нормально работали только 35), для получения более устойчиво работающих молекулярный устройств необходим прорыв в создании метода их производства.

Источники:

1. Nature, 2009, DOI:10.1038/nature08639

2. http://www.chemport.ru