Een moleculaire brug verder

Moleculaire elektronica

Nieuws - 17 september 2019 - Communication TNW

Elektronica op basis van moleculen kan in de toekomst nieuwe mogelijkheden opleveren voor de miniaturisering van circuits. TU Delft-onderzoekers zijn er, samen met partners uit Zwitserland (Empa), Israël en het Verenigd Koninkrijk in geslaagd om een cruciaal detail in de realisatie van dergelijke circuitelementen op te lossen: een moleculaire brug voor elektronen die bij kamertemperatuur mechanisch en elektronisch stabiel blijft. De resultaten zijn pasgeleden gepubliceerd in het tijdschrift "Nature Nanotechnology".

Schematische weergave van moleculen die verankerd zijn aan een SiO2/Si-substraat (grijs). Dankzij de gecontroleerde structuur van de moleculen vormt zich een stabiele moleculaire architectuur die als brug fungeert voor de elektronen die zich tussen de grafeenelektroden verplaatsen. Deze grafeenelementen worden vervolgens gecontacteerd door conventionele metalen (Au) elektroden (geel). De aldus gebouwde moleculaire structuur doet denken aan de architectuur van een romeinse boog.

Moleculaire elektronica, waarin circuitelementen zijn samengesteld uit moleculen, kan het in de toekomst mogelijk maken om op nanoschaal elektronische apparaten met nieuwe functies te bouwen. De componenten moeten nauwkeurig geconstrueerd en geassembleerd worden op atomair niveau. Onderzoekers van het "Transport at Nanoscale Interfaces" lab van het Zwitserse Empa's, onder leiding van Michel Calame, werken samen met partners van de universiteiten van Bazel en Bern, het Zwitserse nanowetenschapsinstituut, de Technische Universiteit Delft, de Lancaster University en de Universiteit van Warwick in het Verenigd Koninkrijk en de Hebreeuwse Universiteit in Jeruzalem om moleculaire bouwstenen met grafeenelektroden te integreren (zie illustratie). 

Een stabiele brug

De grootste uitdaging: zorgen voor een efficiënt elektronisch transport tussen de twee grafeenelektroden. De onderzoekers kozen voor de aanpak om een moleculaire brug te bouwen om de stroom te controleren. De brug moet mechanisch en elektronisch robuust zijn om grote schommelingen, die inherent zijn aan nanoschaalapparatuur, te voorkomen, en dit bij kamertemperatuur. Bovendien moet elk kenmerk van het apparaat reproduceerbaar zijn over meerdere monsters om in elke toepassing te kunnen worden gebruikt.

Het probleem: mechanische en elektronische stabiliteit stellen verschillende eisen aan de eigenschappen van de brug.  "Een zwakke koppeling tussen de baantjes zorgt voor een interessante elektronische verbinding tussen de twee grafeenelektroden en maakt de verbindingseigenschappen minder gevoelig voor lokale elektronische fluctuaties van de elektroden. Deze strategie leidt echter tot mechanisch instabiele verbindingen", aldus Maria El Abbassi van de TU Delft, de eerste auteur van het artikel. Als daarentegen moleculen worden gebruikt die een covalente binding met de grafeenelektroden vormen, kan het systeem mechanisch stabieler zijn - maar de transporteigenschappen van de brug zijn niet goed gedefinieerd door het gebrek aan controle over de geometrie en de randen van de elektroden en leiden tot een sterke variatie in de elektronische eigenschappen.

Een driedelig molecuul als oplossing

De onderzoekers zijn er nu in geslaagd om reproduceerbare brugelementen te bouwen die beide eigenschappen combineren: mechanische en elektronische stabiliteit. De moleculen bestaan uit drie componenten: een silaangroep, een kopgroep en een isolerende alkaanketen. De taak van de silaangroep is om de moleculen mechanisch te verankeren aan het siliciumoxidesubstraat. Het bindt zich via een sterke, covalente binding met het substraat. Het silanisatieproces biedt nog een ander gewenst voordeel: er wordt een beschermlaag gevormd op het siliciumoxide. Het tweede en belangrijkste onderdeel van het molecuul is de kopgroep. De taak daarvan is het vormen van een pad voor de elektronen tussen de twee grafeenelektroden. Dit gebeurt in een quantummechanisch proces: de pi-orbitalen van de aangrenzende moleculen overlappen met elkaar en met die van de twee grafeenelektroden, waardoor een verlengde baan over de kruising ontstaat die als brug fungeert. Het laatste noodzakelijke deel is de alkaanketen. Deze isoleert het anker en de kopgroep elektronisch van elkaar.
De op deze manier opgebouwde moleculen worden tussen de twee grafeenelektroden gestapeld en vormen zo een controleerbaar geleidend element.

Drie moleculen om uit te kiezen

Voor de hoofdgroep onderzochten de onderzoekers drie verschillende verbindingen. De eerste hoofdgroep (CH3) fungeerde als controlegroep, wat leidde tot apparaten met een beperkte elektronische verbinding.  Een tweede groep, N-carbozool - bleek niet ideaal te zijn, omdat een elektronische brug werd gebouwd die niet voldoende stabiliteit bood om een duidelijk omschreven elektronisch pad te vormen. Het vergroten van de orbitale overlap met de derde kandidaat - bifenyl N-carbozool - bewees dat de strategie inderdaad zou kunnen leiden tot stabiele kruisingen met een stroom die enkele ordegroottes groter is dan in het geval van het eerste controlemolecuul.

De onderzoekers konden ook aantonen dat de elektronische eigenschappen van de brugconstructie stabiel zijn, van temperaturen van 20 graden boven het absolute nulpunt tot kamertemperatuur. "Dit stelde ons in staat om een eenvoudige maar effectieve strategie te demonstreren voor de integratie van molecuul-gebaseerde functies in nano-elektronische systemen in de toekomst," legt Calame uit.

Lees voor meer informatie ook dit artikel van Nature Nanotechnology (Engels)

****

M El Abbassi, S Sangtarash, X Liu, M L Perrin, O Braun, C Lambert, H S J van der Zant, S Yitzchaik, S Decurtins, S Liu, H Sadeghi & M Calame; Robust graphene-based molecular devices; Nature Nanotechnology (2019);
DOI: 10.1038/s41565-019-0533-8

Maria El Abbassi
M.ElAbbassi-1@tudelft.nl
+31 (0)15 278 8502

Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)
J.N.deGraaf@tudelft.nl
06 – 42 71 72 27