利用光精确控制单分子装置

发布时间：2024-03-12 16:57:19 栏目：精选知识

导读 在一项新的 自然通信研究中，哥伦比亚工程研究人员报告说，他们建立了高电导性，可调的单分子设备，其中通过使用直接的金属金属触点将分子...

在一项新的 自然通信研究中，哥伦比亚工程研究人员报告说，他们建立了高电导性，可调的单分子设备，其中通过使用直接的金属金属触点将分子附在铅上。他们的新颖方法利用光来控制器件的电子特性，并为更广泛地使用金属-金属接触打开了大门，这种接触可以促进电子在单分子器件上的传输。



挑战

随着设备不断缩小，其电子元件也必须小型化。使用有机分子作为导电通道的单分子器件有潜力解决传统半导体面临的小型化和功能化挑战。此类设备提供了通过光进行外部控制的令人兴奋的可能性，但直到现在，研究人员还无法证明这一点。

分子电子学先驱、劳伦斯·古斯曼教授Latha Venkataraman表示：“通过这项工作，我们开启了分子电子学的新维度，其中光可用于控制分子如何在两个金属电极之间的间隙内结合。” 哥伦比亚工程学院应用物理学和化学教授。“这就像打开纳米级的开关，为设计更智能、更高效的电子元件开辟了各种可能性。”

该方法

Venkataraman 的团队 近二十年来一直在研究单分子器件的基本特性，探索纳米尺度上物理、化学和工程学的相互作用。她的根本重点是构建单分子电路，即连接到两个电极的分子，具有多种功能，其中电路结构以原子精度定义。

她的团队以及那些使用石墨烯(一种碳基二维材料)创建功能设备的团队都知道，在金属电极和碳系统之间建立良好的电接触是一项重大挑战。一种解决方案是使用有机金属分子并设计将电引线与分子内的金属原子连接的方法。为了实现这一目标，他们决定探索有机金属含铁二茂铁分子的使用，这些分子也被认为是纳米技术领域的微小构件。就像乐高积木可以堆叠在一起以创建复杂的结构一样，二茂铁分子可以用作构建超小型电子设备的构建块。该团队使用了一种由二茂铁基团封端的分子，该基团包含两个夹着铁原子的碳基环戊二烯基环。然后，当分子处于氧化状态时(即当铁原子失去一个电子时)，他们利用光来利用二茂铁基分子的电化学特性，在二茂铁铁中心和金(Au)电极之间形成直接键合。 )。在这种状态下，他们发现二茂铁可以与用于将分子连接到外部电路的金电极结合。从技术上讲，氧化二茂铁可以使 Au0 与 Fe3+ 中心结合。

该研究的负责人表示：“通过利用光诱导的氧化，我们找到了一种在室温下操纵这些微小构件的方法，为未来打开了大门，在未来，光可以用于在分子水平上控制电子设备的行为。”作者 Woojung Lee 是 Venkararaman 实验室的博士生。

潜在影响

Venkataraman 的新方法将使她的团队能够扩展可用于创建单分子设备的分子终止(接触)化学类型。这项研究还展示了通过使用光改变二茂铁的氧化态来打开和关闭这种接触的能力，展示了一种光可切换的基于二茂铁的单分子器件。光控设备可以为响应特定光波长的传感器和开关的开发铺平道路，为各种技术提供更通用、更高效的组件。

团队

这项工作是一项涉及综合、测量和计算的协作努力。该合成主要由哥伦比亚大学的 Michael Inkpen 完成，他是 Venkataraman 小组的博士后，现在是南加州大学的助理教授。所有测量均由 Venkataraman 小组的研究生 Woojung Lee 完成。计算由 Venkataraman 小组的研究生和德国雷根斯堡大学的合作者进行。

下一步是什么

研究人员目前正在探索光控单分子器件的实际应用。这可能包括优化设备性能，研究它们在不同环境条件下的行为，以及改进金属-金属界面实现的附加功能。