Мономолекулярный выпрямитель

Водород можно удалить из отдельных молекул H ₂ TPP , прикладывая избыточное напряжение к наконечнику сканирующего туннельного микроскопа (STAM, a); это удаление изменяет вольт-амперные (IV) кривые молекул TPP, измеренные с помощью того же наконечника STM, с диодных (красная кривая на b) на резисторные (зеленая кривая). На изображении (c) показан ряд молекул TPP, H ₂ TPP и TPP. Во время сканирования изображения (d) избыточное напряжение было приложено к H ₂ TPP в черной точке, что мгновенно удалило водород, как показано в нижней части (d) и на повторном сканировании изображения (e). ^[1]

Мономолекулярный выпрямитель — это одиночная органическая молекула , которая функционирует как выпрямитель (односторонний проводник ) электрического тока . Идея была впервые предложена в 1974 году Арье (позже Ари) Авирамом, тогда работавшим в IBM , и Марком Ратнером , тогда работавшим в Нью-Йоркском университете . ^[2] Их публикация была первым серьезным и конкретным теоретическим предложением в новой области молекулярной электроники (МЭ). Основываясь на мезомерном эффекте определенных химических соединений на органических молекулах, был построен молекулярный выпрямитель путем моделирования pn-перехода с помощью химических соединений.

Предложенная ими выпрямляющая молекула была спроектирована таким образом, что электрическая проводимость внутри нее была бы благоприятной от богатой электронами субъединицы или фрагмента (донора электронов) к бедному электронами фрагменту (акцептору электронов), но неблагоприятной (на несколько электрон-вольт ) в обратном направлении.

Исследовать

Многие потенциальные выпрямляющие молекулы изучались группами Роберта Мелвилла Метцгера, Чарльза А. Панетты и Дэниэла Л. Маттерна ( Университет Миссисипи ) в период с 1981 по 1991 год, но не были успешно испытаны на проводимость.

Это предложение было проверено в двух статьях в 1990 и 1993 годах группами Джона Роя Сэмблса ( Университет Эксетера , Великобритания ) и Джеффри Джозефа Эшвелла ( Университет Крэнфилда , ныне Ланкастерский университет , Великобритания), с использованием монослоя гексадецилхинолиния трицианохинодиметанида, расположенного между разнородными металлическими электродами ( магнием и платиной ) ^{[3] [4]} , а затем подтверждено в трех статьях в 1997 и 2001 годах Метцгером (ныне Университет Алабамы ) и его коллегами, которые использовали идентичные металлы (сначала алюминий , затем золото ). ^{[5] [6] [7]}

В этих работах используются монослои Ленгмюра-Блоджетт (толщиной в одну молекулу) с предполагаемым количеством молекул от 10 ¹⁴ до 10 ¹⁵ , измеренным параллельно. Около девяти подобных выпрямителей с совершенно разной структурой были обнаружены группой Метцгера в период с 1997 по 2006 год. ^[8] Еще несколько органических выпрямителей на основе перилена с ласточкиными хвостами из ПЭГ ( полиэтиленгликоля ) были синтезированы в лаборатории Маттерна Рамакришной Самудралой. ^[9] Эти выпрямители позволят измерять выпрямление с гибкостью.

Отдельные молекулы, ковалентно связанные с золотом, были изучены методом сканирующей туннельной спектроскопии , и некоторые из них являются мономолекулярными выпрямителями, изученными как отдельные молекулы, как показали группы Лупинга Ю ( Чикагский университет ) и Эшвелла (позднее в Ланкастерском университете , Великобритания ).

Цели

Движущая идея в UE (также называемой молекулярной электроникой) заключается в том, что правильно спроектированные «электроактивные» молекулы  длиной от 1 до 3 нм могут вытеснить кремниевые устройства для уменьшения размеров компонентов схемы , обеспечивая сопутствующее увеличение максимальной скорости интегральной схемы. Однако усиление не было реализовано по состоянию на 2012 год ^{[обновлять]}, а химические взаимодействия между металлическими электродами и молекулами сложны.

Ссылки

1. Золдан, Винисиус Клаудио; Фаччо, Рикардо и Паса, Андре Авелино (2015). «Характер N- и p-типа одномолекулярных диодов». Научные отчеты . 5 : 8350. doi : 10.1038/srep08350. ПМЦ  4322354 . ПМИД  25666850.
2. Авирам, Арье; Ратнер, Марк А. (1974). «Молекулярные выпрямители». Chemical Physics Letters . 29 (2): 277. Bibcode : 1974CPL....29..277A. doi : 10.1016/0009-2614(74)85031-1.
3. Эшвелл, Г. Дж., Сэмблс, Дж. Р., Мартин, А. С., Паркер, В. Г. и Шаблевски, М. (1990). "Выпрямляющие характеристики Mg|(C ₁₆ H ₃₃ -Q3CNQ LB film)|Pt структур". J. Chem. Soc. Chem. Commun. (19): 1374. doi :10.1039/C39900001374.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
4. Мартин, А.С., Сэмблс, Дж.Р. и Эшвелл, Г.Дж. (1993). «Молекулярный выпрямитель». Phys. Rev. Lett . 70 (2): 218–221. Bibcode : 1993PhRvL..70..218M. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.218. PMID  10053732.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
5. Xu, T., Peterson, IR, Lakshmikantham, MV и Metzger, RM (2001). «Ректификация монослоем гексадецилхинолиния трицианохинодиметанида между золотыми электродами». Angew. Chem. Int. Ed . 40 (9): 1749–1752. doi :10.1002/1521-3773(20010504)40:9<1749::AID-ANIE17490>3.0.CO;2-O. PMID  11353499.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
6. Metzger, RM; Chen, B., Höpfner, U., Lakshmikantham, MV, Guillaume, D, Kawai, T., Wu, X., Tachibana, H, Hughes, TV, Sakurai, TV, Baldwin, JW, Hosch, C., Cava, MP, Brehmer, L. и Ashwell, GJ (1997). «Унимолекулярная электрическая ректификация в трицианохинодиметаниде гексадецилхинолиния». J. Am. Chem. Soc . 119 (43): 10455–10466. doi :10.1021/ja971811e.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. Мецгер, Р. М., Сюй, Т. и Петерсон, ИР (2001). «Электрическое выпрямление монослоем трицианохинодиметанида гексадецилхинолиния, измеренное между макроскопическими золотыми электродами». J. Phys. Chem. B. 105 ( 30): 7280–7290. doi :10.1021/jp011084g.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
8. Metzger, RM (2006). «Унимолекулярные выпрямители: Текущее состояние». Chem. Physics . 326 (1): 176–187. Bibcode : 2006CP....326..176M. doi : 10.1016/j.chemphys.2006.02.026.
9. Самудрала, Рамакришна (2008), доктор философии. диссертация. Университет Миссисипи