Nieuwe meetmethode brengt moleculaire chips dichterbij
Leidse en Delftse wetenschappers hebben vastgesteld wat elektronentransport via een enkel molecuul zo moeilijk maakt. Ze ontdekten dit dankzij een nieuwe meetmethode. Hun bevinding brengt elektronische chips een stap dichterbij. Ze publiceerden erover in Nature Nanotechnology.
Displays met moleculen
Beter inzicht in de factoren die elektrische geleiding op moleculair niveau bemoeilijken brengt toepassing van moleculair elektronica een stap dichterbij. Prof.dr. Jan van Ruitenbeek, die samen met de Delftse onderzoeker prof.dr.ir. Herre van der Zant het onderzoek leidde: ‘Ik verwacht de eerste toepassingen in grote oppervlakken, bijvoorbeeld voor displays, waar het voordeel van een enkele laag van moleculen die eenvoudig en goedkoop kan worden aangebracht groot is. De echte uitdaging is nu om een molecuul te ontwerpen dat zich kan gedragen als schakelaar of als diode, met een voldoende groot verschil in geleiding tussen de “aan” en “uit”-toestand.’
Molecuul als transistor
Het onderzoek geeft inzicht in het fundamentele fysische gedrag van individuele moleculen. Met zijn afmetingen van slechts enkele nanometers kan een molecuul tussen twee elektroden dienst doen als zeer gevoelige sensor of extreem kleine transistor. Maar het probleem bij het ontwikkelen van dergelijke moleculaire elektronica is dat het moeilijk is om elektrisch contact te maken met een enkel molecuul.
Beeldladingen gebruiken
De Leidse onderzoekers en hun collega’s van Stichting FOM en de TU Delft deden het idee op om beeldladingen te benutten in het realiseren van elektronische moleculaire componenten. Beeldladingen treden op in een metaal door de nabijheid van een lading, zoals die op het enkele molecuul. Die beeldladingen in het metaal beïnvloeden op hun beurt de energieniveaus van het molecuul. Het was al langer bekend dat beeldladingen daardoor een belangrijke rol spelen in ladingstransport via moleculen. De beeldladingen kunnen de ligging van de moleculaire energieniveaus namelijk sterk doen verschuiven ten opzichte van de energieniveaus in het metaal. Zo zorgen ze voor betere of slechtere geleiding. De onderzoekers hebben dit effect voor het eerst systematisch in kaart gebracht voor een enkel molecuul.
Nieuwe meettechniek
Door hun expertises te combineren konden de onderzoekers uit Delft en Leiden een nieuwe techniek ontwikkelen om geleiding in een molecuul te meten. De methode is gebaseerd op de mechanisch aangestuurde breekjunctie-techniek, die Van Ruitenbeek heeft ontwikkeld. Een kleine vrijhangende brug in een metalen geleider wordt onder mechanische druk gezet, waardoor hij doorbuigt en breekt. Het molecuul hecht zich vervolgens aan de twee schone breukvlakken. De Delftenaren breidden de techniek uit door er een transistor van te maken. Dat maakt het mogelijk om de afstand tussen de elektroden - en daarmee de nabijheid van het molecuul - te variëren en zo de beeldlading te beïnvloeden. Hierdoor kregen de onderzoekers unieke mechanische en elektrische controle over de energieniveaus van het molecuul. Zo konden zij de rol van de beeldladingen experimenteel bepalen en in getallen uitdrukken.
Artikel in Nature Nanotechnology
Mickael L. Perrin, Christopher J. O. Verzijl, Christian A. Martin, Ahson J. Shaikh, Rienk Eelkema, Jan H. van Esch, Jan M. van Ruitenbeek, Joseph M. Thijssen, Herre S. J. van der Zant and Diana Duliæ, Large tunable image-charge effects in single-molecule junctions, Nature Nanotechnology (2013).