Forscher bauen längsten, hochleitfähigen molekularen Nanodraht

Der 2,6 nm lange Einzelmoleküldraht hat quasimetallische Eigenschaften und zeigt einen ungewöhnlichen Anstieg der Leitfähigkeit mit zunehmender Drahtlänge

12.07.2022 - USA

Da unsere Geräte immer kleiner werden, wird die Verwendung von Molekülen als Hauptkomponenten in elektronischen Schaltkreisen immer wichtiger. In den letzten 10 Jahren haben Forscher versucht, einzelne Moleküle als leitende Drähte zu verwenden, da sie klein sind, unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben und sich gut abstimmen lassen. Bei den meisten molekularen Drähten nimmt jedoch die Effizienz, mit der Elektronen über den Draht übertragen werden, mit zunehmender Länge des Drahtes exponentiell ab, was es zu einer besonderen Herausforderung macht, einen langen molekularen Draht zu bauen - einen, der viel länger als ein Nanometer ist - und der tatsächlich gut Strom leitet.

Columbia-Forscher gaben heute bekannt, dass sie einen 2,6 Nanometer langen Nanodraht gebaut haben, der eine ungewöhnliche Zunahme der Leitfähigkeit bei zunehmender Drahtlänge aufweist und quasi metallische Eigenschaften besitzt. Seine hervorragende Leitfähigkeit verspricht viel für den Bereich der molekularen Elektronik und ermöglicht es, elektronische Geräte noch kleiner zu machen. Die Studie wurde in Nature Chemistry veröffentlicht.

Molekulare Drahtdesigns

Das Forscherteam von Columbia Engineering und dem Fachbereich Chemie der Columbia University untersuchte zusammen mit Theoretikern aus Deutschland und synthetischen Chemikern aus China molekulare Drahtkonstruktionen, die an beiden Enden ungepaarte Elektronen tragen, da solche Drähte eindimensionale Analoga zu topologischen Isolatoren (TI) bilden würden, die an den Rändern hoch leitend, aber in der Mitte isolierend sind.

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Der einfachste eindimensionale TI besteht zwar nur aus Kohlenstoffatomen, wobei die endständigen Kohlenstoffe die radikalen Zustände - ungepaarte Elektronen - unterstützen, aber diese Moleküle sind im Allgemeinen sehr instabil. Kohlenstoff mag es nicht, ungepaarte Elektronen zu haben. Ersetzt man die endständigen Kohlenstoffe, in denen sich die Radikale befinden, durch Stickstoff, erhöht sich die Stabilität der Moleküle. "Dadurch werden 1D-TIs, die aus Kohlenstoffketten bestehen und mit Stickstoff abgeschlossen sind, viel stabiler, und wir können mit ihnen bei Raumtemperatur unter Umgebungsbedingungen arbeiten", so die Co-Leiterin des Teams, Latha Venkataraman, Lawrence Gussman Professor ofApplied Physics und Professorin für Chemie.

Die Exponentialzerfallsregel brechen

Durch eine Kombination aus chemischem Design und Experimenten schuf die Gruppe eine Reihe von eindimensionalen TIs und durchbrach erfolgreich die Exponentialzerfallsregel, eine Formel für den Prozess, bei dem eine Größe mit einer Rate abnimmt, die proportional zu ihrem aktuellen Wert ist. Mit Hilfe der beiden Radikalkantenzustände erzeugten die Forscher einen hochleitenden Pfad durch die Moleküle und erreichten einen "umgekehrten Leitwertabfall", d. h. ein System, das mit zunehmender Drahtlänge einen steigenden Leitwert aufweist.

"Das wirklich Aufregende ist, dass unser Draht einen Leitwert in der gleichen Größenordnung wie ein Metall-Metall-Punktkontakt aus Gold hatte, was darauf hindeutet, dass das Molekül selbst quasi-metallische Eigenschaften aufweist", so Venkataraman. "Diese Arbeit zeigt, dass sich organische Moleküle auf Einzelmolekülebene wie Metalle verhalten können, im Gegensatz zu dem, was in der Vergangenheit gemacht wurde, wo sie in erster Linie schwach leitend waren."

Die Forscher entwarfen und synthetisierten eine Bis(triarylamine)-Molekülreihe, die durch chemische Oxidation die Eigenschaften eines eindimensionalen TI zeigte. Sie führten Leitfähigkeitsmessungen an Einzelmolekülverbindungen durch, bei denen die Moleküle sowohl mit der Source- als auch mit der Drain-Elektrode verbunden waren. Die Messungen ergaben, dass längere Moleküle eine höhere Leitfähigkeit aufwiesen, was so lange funktionierte, bis der Draht länger als 2,5 Nanometer war, was dem Durchmesser eines menschlichen DNA-Strangs entspricht.

Die Grundlage für weitere technologische Fortschritte in der molekularen Elektronik gelegt

"Das Venkataraman-Labor ist stets bestrebt, das Zusammenspiel von Physik, Chemie und Technik bei elektronischen Einzelmolekülgeräten zu verstehen", fügte Liang Li, Doktorand im Labor und Mitautor der Studie, hinzu. "Die Herstellung dieser speziellen Drähte wird die Grundlage für wichtige wissenschaftliche Fortschritte beim Verständnis des Transports durch diese neuartigen Systeme bilden. Wir freuen uns sehr über unsere Ergebnisse, denn sie beleuchten nicht nur die physikalischen Grundlagen, sondern auch mögliche künftige Anwendungen."

Die Gruppe entwickelt derzeit neue Designs, um molekulare Drähte zu bauen, die noch länger und dennoch hoch leitfähig sind.

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Originalveröffentlichung

Li, L., Low, J.Z., Wilhelm, J. et al. Highly conducting single-molecule topological insulators based on mono- and di-radical cations. Nat. Chem. (2022)

https://www.chemie.de/news/1176860/forscher-bauen-laengsten-hochleitfaehigen-molekularen-nanodraht.html

Originalveröffentlichung

Li, L., Low, J.Z., Wilhelm, J. et al. Highly conducting single-molecule topological insulators based on mono- and di-radical cations. Nat. Chem. (2022)

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