Молекулярную проводимость научились надежно измерять при комнатной температуре

M. Gil et al./ Journal of Applied Physics, 2018

Французские ученые разработали метод измерения проводимости отдельных молекул, основанный на анализе динамики их присоединения и отрыва от поверхности электродов с течением времени. В отличие от традиционных подходов, метод не предполагает использования сканирующего туннельного микроскопа и позволяет проводить надежные измерения при комнатной температуре, пишут ученые в Journal of Applied Physics.

Эффект молекулярной проводимости используется в работе большого количества наноэлектронных устройств, например нанотранзисторов или газовых сенсоров. Проводимость органических молекул, которые используются в таких устройствах, определяется их химической структурой и обычно связана с наличием нужных заместителей или системы сопряженных двойных связей. При этом измерение электропроводимости отдельных молекул для определения наиболее подходящей структуры — крайне непростая задача. Как правило, для этого применяются подходы, основанные на использовании сканирующей туннельной микроскопии, которая предполагает жесткое прикрепление одной исследуемой молекулы к двум электродам: поверхности и сканирующему зонду. При этом, чтобы обеспечить надежное присоединение, такие эксперименты сильно ограничиваются по температуре измерений — одному из главных факторов, влияющих на молекулярную проводимость.

Для упрощения методики измерения проводимости отдельных молекул группа французских физиков под руководством Юбера Клена (Hubert R. Klein) из Университета Экс-Марсель предложила использовать вместо сканирующей туннельной микроскопии технологию разъединенного перехода с механическим управлением. В разработанной авторами исследования системе несколько молекул находятся в динамическом равновесии в зазоре между двумя электродами, присоединяясь и отсоединяясь от их поверхности. В качестве электродов в предложенном устройстве ученые использовали с одной стороны золотой провод со специальной канавкой, а с другой — подвижную упругую металлическую подложку. За счет механического управления подложкой можно изменять расстояние между электродами и растягивать провод.

С помощью пьезоэлемента с обратной связью контролировать расстояние между электродами в таком устройстве удается с точностью до 3 пикометров. В этом зазоре между двумя электродами при правильно заданной ширине может находиться от одной до пары десятков молекул, которые то отсоединяются, то вновь присоединяются к электродам, меняя ток, протекающий через контакт. Для этой системы при заданном напряжении физики измеряли зависимость тока от времени, которую анализировали статистически. Из полученной зависимости можно выделить несколько характерных пиков для силы тока, которые однозначно определяются числом молекул, соединяющих электроды. При этом для измерения электропроводимости можно использовать как непосредственно сам сигнал, так и информацию о стандартном отклонении для каждого из пиков проводимости.

Работу устройства ученые проверили для двух алкандитиолов с пятью и восемью атомами углерода в цепочках. В результате физикам удалось получить данные для молекулярных контактов, включавших от 1 до 14 молекул. Оказалось, что оба предложенных способа измерений приводят к линейной зависимости проводимости от числа молекул в контакте, что подтверждает надежность измерений и стабильность работы устройства с течением времени.

Авторы работы отмечают, что стабильная работа устройства при комнатной температуре может позволить использовать его в качестве основного инструмента для определения молекулярной проводимости. Кроме того, подобную схему можно применять и для изучения диффузии и транспорта отдельных молекул при комнатной температуре.

Для создания эффективно работающих наноэлектронных устройств необходимы не только молекулы с высокой проводимостью, но и молекулярные изоляторы, которые используются для разделения молекулярных переключателей от электродов и предотвращения взаимодействия между различными компонентами. Недавно ученые обнаружили, что идеальные молекулы для этих целей — соединения на основе полидиметилсилоксана, проводимость которых примерно в два раза ниже, чем у алканов.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.