Новый одномолекулярный диод оказался в 50 раз производительнее аналогов

Иллюстрация демонстрирует движение тока через одномолекулярный диод
(иллюстрация Latha Venkataraman, Columbia Engineering).

В феврале 2014 года команда французских инженеров-физиков представила миру первый одномолекулярный светодиод. Теперь их американские коллеги из инженерного института при Колумбийском университете утверждают, что в рамках своего нового исследования им удалось создать устройства, производительность которых в 50 раз выше, чем у аналогов.

Статья, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, описывает суть эксперимента и методику производства одномолекулярных диодов. Авторы исследования пишут, что их разработка является первой в мире обладающей реальными перспективами к использованию в наноразмерных устройствах.

"Наша новая методика привела к созданию одномолекулярных диодов с высокой ректификацией и большой силой тока, около 0,1 микроампера. Создание устройства, где активным компонентом была бы только одна молекула, долгое время было заветной мечтой в области нанотехнологий, и теперь мы приблизились к ней вплотную", — рассказывает ведущий автор исследования Лата Венкатараман (Latha Venkataraman).

Одиночные молекулы представляют собой некий предел миниатюризации электронных устройств. Идея создания одномолекулярных диодов впервые была предложена Арье Авирамом (Arieh Aviram) и Марком Ратнером (Mark Ratner) в 1974 году. Учёные предположили, что молекула может выступать в качестве выпрямителя — одностороннего проводника электрического тока. С тех пор исследователи активно изучали транспортные свойства различных молекул.

В ходе многочисленных экспериментов выяснилось, что одиночные молекулы, прикреплённые к металлическим электродам, могут выступить в роли различных элементов схемы, в том числе резисторов, переключателей, транзисторов и, собственно, диодов. Также стало известно, что в проводящих свойствах молекулярных соединений можно увидеть проявление различных квантово-механических эффектов, к примеру, интерференции.

Поскольку диод выступает в роли клапана для электроэнергии, его структура должна быть асимметричной: чтобы на ток, идущий в одном направлении действовала одна среда, а на идущий в противоположном направлении — другая. Для этого исследователи создали молекулы с асимметричным строением.

"Асимметричные молекулы сами по себе обладают некоторыми свойствами диодов, однако их эффективность оставляет желать лучшего. Правильно сконструированный диод должен позволять току идти только в одном направлении — в направлении "включено" — и должен пропускать много тока. Асимметричные молекулярные конструкции, как правило, страдают от очень скудного потока в любом направлении. Поэтому нашей целью было создание такого молекулярного диода, у которого соотношения пропуска тока в направлении "включено" к направлению "выключено" было бы максимальным", — рассказывает соавтор исследования Брайан Капоцци (Brian Capozzi).

Венкатараман и её коллеги решили побороть сложности, создав асимметрию в среде вокруг молекулы. Этого эффекта учёным удалось достичь относительно простым методом: активную молекулу окружили ионным раствором и использовали золотые металлические электроды различных размеров.

В результате получилось достичь коэффициента ректификации, эквивалентного 250 — а это в 50 раз выше, чем у предыдущих аналогов. Течение тока в направлении "включено" составило 0,1 мкА, что, как отмечает профессор Венкатараман, довольно много для единичной молекулы.

В настоящее время учёные из США работают над дальнейшим повышением коэффициента ректификации и исследованием фундаментальной физики, стоящей за экспериментом. Огромным преимуществом новой разработки, по словам исследователей, является её универсальность: она может быть использована в наноразмерных устройствах любого типа, в том числе и тех что изготовлены с использованием графеновых электродов.