Андрей Макронович предлагает Вам запомнить сайт «Космос»
Вы хотите запомнить сайт «Космос»?
Да Нет
×
Прогноз погоды

Без Космоса нет будущего!

Поиск по блогу

Запомнить
Читать

О сайте

Создан диод из девяти атомов углерода

развернуть
Нонадиин-1,8

Рис. 1. Химическое строение нонадиина-1,8 (слева) и схема строения монослоя, который он образует на поверхности гидрированного кремния (справа

). В названии этого вещества нона- показывает, что оно содержит 9 атомов углерода, ди-ин — что две из восьми связей между этими атомами — тройные; 1,8 указывает на то, что это связи между первым и вторым и восьмым и девятым атомами. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Испанские ученые показали, что молекулу простого органического вещества нонадиин-1,8 можно использовать как молекулярный диод. Этот самый маленький в мире диод к тому же оказался очень эффективным, и в отличие от ранее созданных молекулярных диодов он способен работать при комнатной температуре.

Одно из главных направлений в развитии электроники — миниатюризация. Электронные схемы и их компоненты становятся всё меньше и меньше. Однако уменьшить привычные для нас электронные схемы на основе кремния, германия и других полупроводниковых материалов (см. Полупроводники) можно лишь до определенного предела. Поэтому вот уже пару десятков лет интенсивно ведутся разработки в области молекулярной электроники, в которой электронными компонентами служат отдельные молекулы. Уже известны молекулярные провода, молекулярные логические элементы, молекулярные диоды и молекулярные транзисторы.

Исследователи из Барселонского университета, работающие в группе Исмаэля Диеса-Переса (Ismael Díez-Pérez), смогли продемонстрировать, что одна молекула нонадиина-1,8 на кремниевой подложке работает как диод (рис. 1). Эта молекула состоит всего лишь из девяти атомов углерода и двенадцати атомов водорода (С9Н12). Таким образом, созданный диод очень маленький даже по меркам молекулярной электроники.

Возможно, некоторые читатели, прочитав слово «диод», представили себе маленькие светящиеся огоньки — светоизлучающие диоды. Однако в данном случае имеется в виду не источник света, а устройство, пропускающее электрический ток в одном направлении и блокирующее его протекание в противоположном. Такие устройства — один из базовых компонентов электронных схем.

Нонадиин-1,8 относится к классу терминальных диинов — молекул, содержащих две тройные связи углерод-углерод, которые расположены на противоположных концах углеродной цепи. Такие терминальные диины были синтезированы во второй половине ХХ века и находили применение, например, в получении синтетических полимеров. На макроскопическом уровне ни нонадиин-1,8, ни родственные по структуре соединения не проводят электрический ток. Исследователи использовали молекулу углеводорода с двумя тройными связями не как обычный электрический контакт, а как контакт для туннельного тока, который возникает при «проскоке» носителя заряда между электродами — туннельном переходе (наиболее известно туннелирование электрона).

Дииновый молекулярный диод закрепляется на частично гидрированной — содержащей связи Si–H — поверхности кремния. Происходит это в результате инициируемой ультрафиолетовым излучением реакции гидросилилирования — присоединения связи Si–H к кратной связи на одном из концов молекулы нонадиина. (Эта реакция протекает аналогично изучаемым в школе реакциям присоединения водорода Н–Н или хлороводорода H–Cl к двойным или тройным связям.) Вторая тройная связь — на другом конце молекулы диина — остается свободной для возможности электрического контакта с внешними электронами. Это и позволяет исходно симметричной молекуле вести себя по-разному с электронами, движущимися в противополжных направлениях — к подложке или от нее.

Для проверки работы диода исследователи разработали особую методологию эксперимента, которую они назвали «мерцающее тестирование» («blinking test»). Поверхность кремния с закрепленными на ней молекулами нонадиина-1,8 изучали с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Когда изготовленный из золота зонд микроскопа контактировал с молекулой нонадиина (рис. 2, а), электрическая цепь замыкалась, при этом регистрировалось скачкообразное увеличение силы тока — «мерцание» (рис. 2, b). Периодически изменяя полярность напряжения, исследователи подтвердили одностороннюю проводимость диода (рис. 2, с).

Схема эксперимента
Создан диод из девяти атомов углерода

Рис. 2. Схема эксперимента. a — молекула нонадиина-1,8 участвует в замыкании и размыкании электрической цепи между золотым зондом микроскопа и кремниевой подложкой. b — регистрация «мерцания», возникающего в результате связывания молекулярным диодом двух электродов при напряжении в −0.8 В. На верхнем графике видны скачкообразное увеличение силы туннельного тока, возникающее при контакте зонда микроскопа с молекулой, незначительные (сравнимые с ошибкой измерения) колебания силы тока в момент контакта зонд–молекула и резкое снижение силы тока до исходного значения при потере контакта. c — односторонняя проводимость диода при изменении напряжения от −2 до +2 В. Видно, что при –2 В (нижний график) наблюдается резкое увеличение силы туннельного тока (верхний график) до 120 микроампер (весь пик, иллюстрирующий рост силы тока, просто не поместился на иллюстрации), смена полярности и потенциал +2 В позволял регистрировать ток силой только в 30 наноампер — в 4000 раз меньше. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Начав работу с изучения поверхности кремния, покрытой сотнями или десятками молекул нонадиина-1,8, за счет увеличения точности сканирования и измерений исследователям удалось быстро адаптировать метод для изучения электрического контакта с участием одной отдельно взятой молекулы. Интересно, что близкие по строению молекулы, например, нонин-1, который обладает только одной тройной связью, не могут выступать в качестве электрических контактов. Вероятно, вторая тройная связь нонадиина или связанный с ней атом водорода (образующий с двумя последними атомами углерода прямую линию C≡C–H) играет роль своеобразной антенны, облегчающей туннельный перенос электрона.

Созданный диод интересен не только размером — его эффективность уникальна для электронных компонентов такого типа. Эффективность диодов обычно определяется значением коэффициента выпрямления — отношением прямого тока к обратному току. Для нового диода коэффициент выпрямления достигает примерно 4000. Это на два порядка больше коэффициента выпрямления первого молекулярного диода, полученного в 2009 году при участии самого Исмаэля Диеса-Переса, а также Ивана Олейника из Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН (I. Díez-Pérez et al., 2009. Rectification and stability of a single molecular diode with controlled orientation). Помимо этого диод из нонадиина-1,8 обладает высокой устойчивостью — он может работать при комнатной температуре, в то время как диоды 2009 года (несколько полученных тогда молекул с односторонней проводимостью представляли собой различные комбинации ароматических колец) могли работать только при температуре, близкой к абсолютному нулю (около 10 К).

Высокая эффективность и устойчивость нового диода позволяет говорить о том, что объединение возможностей органической химии и наработанных подходов к работе с микросхемами из кремния может послужить основой для настоящего прорыва в молекулярной электронике. Конечно, до массового применения таких молекулярных диодов еще далеко — несмотря на то, что новый диод значительно лучше своих предшественников, до применения таких устройств в электронных схемах нужно увеличить и термостабильность, и стабильность по току, и время жизни. Тем не менее исследователи уверены, что продлить время стабильной работы молекулярного диода от нескольких секунд до нескольких месяцев — вполне реальная перспектива. В любом случае результаты изучения молекулярного диода окажутся полезными уже в ближайшей перспективе — разработанный и успешно использованный «метод мерцания» может пригодиться для изучения закономерностей переноса электрического заряда и для других систем, в которых поверхность металла или полупроводника будет модифицирована органическими молекулами различного строения.

Источник: Albert C. Aragonès, Nadim Darwish, Simone Ciampi, Fausto Sanz, J. Justin Gooding & Ismael Díez-Pérez. Single-molecule electrical contacts on silicon electrodes under ambient conditions // Nature Communications. 2017. 8. DOI:10.1038/ncomms15056.

Аркадий Курамшин

Источник: http://elementy.ru


Опубликовано 30.05.2017 в 05:19

Комментарии

Показать предыдущие комментарии (показано %s из %s)
Показать новые комментарии
Комментарии Facebook
Блог
Система Судного дня «Периметр» и как она работает
24 авг, 06:51
+19 9
Откуда берётся время и почему нам кажется, что оно течёт?
18 авг, 06:51
+6 14
Какая невозможная физика стала бы возможной при наличии варп-двигателя?
20 июл, 09:25
+2 0
Алмазные иглы из углеродного «льда»
6 июл, 11:30
+5 1

Последние комментарии

Юрий В Радюшин
Юрий В Радюшин
А, Вы - наш "информатор" ... :-)
Юрий В Радюшин Ученые: без России космические корабли NASA никуда не полетят
Анатолий Уложенко
Рустем 1
Беня то ельцин борька
Рустем 1 Ученые: без России космические корабли NASA никуда не полетят
Юрий В Радюшин
А кто такой Беня и причем тут Россия!?
Юрий В Радюшин Ученые: без России космические корабли NASA никуда не полетят
Рустем 1
Наталия Шнитникова
Отличный фильм!!!!!!!!!!
Наталия Шнитникова Космос - современная индустрия или большая тайна человечества?
Некто ВК
Некто ВК
Алексей Камратов
Некто ВК
Федор Осетин
Косоглазый косой. И я в восторге от этой мозголомки=))
Федор Осетин Ну, у русских и язык
Victor Rasskazov
пусть НАСА на Луну для начала слетает
Victor Rasskazov Варп-двигатель NASA. Когда мы полетим к далёким-далёким галактикам?
Андрей Ремизов
Андрей Ремизов
nodar cnincharauli
Юрий В Радюшин
Эдуард Тихомиров
Ник Иванов
Андрей Щеголеватых
Эдуард Тихомиров
Mikhail Brezgunov
Адам Меровей
Юрий Атаманов
Ник Иванов
Gena Lipatov
Александр Самсонов
Владимир Сабакарь
Arthur Avanesyan
Адам Меровей
Гена Гушанов
Адам Меровей
Адам Меровей
Адам Меровей
Адам Меровей
А я, просто обращаюсь к КАЖДОМУ!)
Адам Меровей Ну, у русских и язык
Лана (Калинина)
Владимир Курбатов