Man mano che i dispositivi diventano sempre più piccoli, gli scienziati stanno correndo contro i limiti di quanto piccolo si possa costruire in modo fattibile un circuito usando materiali sfusi. I circuiti molecolari offrono una possibile soluzione per superare questi vincoli dimensionali, e hanno portato a un campo in crescita che fonde la chimica con l'elettronica.
Uno studio dell'autore principale Timothy A. Su e un team della Columbia University riportano il primo interruttore a molecola singola del suo genere con due distinte fasi di conduttanza che si basa sui due stereoisomeri della molecola. Il loro lavoro è apparso in Chimica della natura .
La conduttività si basa sul movimento degli elettroni. I metalli sono altamente conduttivi perché gli elettroni attraversano facilmente il materiale. Molecole non metalliche, come gli alcani, sono anche conduttive, ma hanno una conduttività inferiore rispetto ai metalli perché gli elettroni non viaggiano facilmente attraverso la rete di legame sigma. Però, questi non metalli a catena lunga sono attraenti per i circuiti molecolari a causa della loro versatilità sintetica e geometrica. Gli oligosilani offrono una migliore opzione per la mobilità degli elettroni a causa della maggiore delocalizzazione del sigma lungo i legami Si-Si, pur mantenendo la versatilità sintetica e geometrica che rende gli alcani attraenti.
Su et al. testato vari silani (permetiloligosilani) con sostituenti metiltiometilici su entrambe le estremità della molecola di oligosilano. Hanno testato la conduttanza di [SiMe 2 ] n dove n rappresenta da uno a dieci permetilsilani. La conduttanza è stata testata utilizzando la giunzione di rottura del microscopio a effetto tunnel, simile al collegamento del terminale metiltiolmetilico a elettrodi d'oro di dimensioni molecolari in modo tale che la molecola sia collegata a ponte con Au-[SiMe 2 ] n -Alla moda. La conduttanza è stata misurata rispetto alla lunghezza dell'oligosilano e rispetto alla distanza tra la punta e l'elettrodo STM in oro, o come l'oligosilano veniva sistematicamente espanso e compresso tra le due superfici d'oro.
I risultati dei test sulle varie lunghezze degli oligosilani hanno mostrato una diminuzione della conduttività all'aumentare della lunghezza della molecola. Questo "decadimento della conduttanza dipendente dalla lunghezza" è una proprietà attesa dei non metalli a catena lunga ed è stata osservata negli alcani, anche.
Però, a differenza degli alcani, in tutti gli oligosilani c'è stato un brusco cambiamento da bassa ad alta conduttanza all'aumentare della distanza tra gli elettrodi. Ci si aspetterebbe che la conduttanza diminuisca all'aumentare della distanza tra la punta d'oro e l'elettrodo. Inoltre, questo brusco cambiamento è stato di un fattore due per tutti gli oligosilani, indipendentemente dalla lunghezza della catena di silicio. La lunghezza del plateau a bassa conduttanza aumenta con l'aumentare della lunghezza dell'oligosilano, ma la lunghezza del plateau ad alta conduttanza era la stessa per tutte le molecole, hanno indicato che questo stato era dovuto a una caratteristica comune a tutte le molecole e non era correlato alla lunghezza della catena oligosilano.
Questa caratteristica di conduttività distintamente a due stati era probabilmente dovuta agli angoli diedri terminali formati dai legami Au-S-C-Si poiché questa caratteristica era la stessa per tutte le molecole. Per confermare che il cambiamento di conduttanza era dovuto a effetti stereoelettronici, Su et al. hanno condotto un'analisi DFT per determinare la conformazione a più bassa energia del loro oligosilano a distanze variabili tra due atomi d'oro. Hanno usato [Au-Si(4)-Au] 2+ struttura come loro molecola di prova per imitare gli effetti elettronici del sistema STM. Per questo esperimento, hanno iniziato con atomi d'oro a una distanza che avrebbe fornito angoli diedri in una conformazione anti senza vincoli e hanno aumentato la distanza tra gli atomi d'oro di incrementi di 0,25 Angstrom.
Hanno scoperto che la distanza tra gli atomi d'oro gioca un ruolo cruciale nella conformazione molecolare e quindi sulla conduttività dell'oligosilano. Durante lo stato di bassa conduttanza, il legame Me-S è antiperiplanare (il legame Au-S è perpendicolare) al legame metilsilano, o in un anti conformazione. Al passaggio ad alta conduttanza, il legame Me-S è perpendicolare (il legame Au-S è antiperiplanare) al legame metilsilano, o in una conformazione orto.
L'anti conformazione vince lo sforzo sterico, ma la conformazione orto vince la deformazione meccanica dalla separazione degli elettrodi. L'anti conformazione ha orbitali Au-S perpendicolari al piano dei legami Si-Si, ostacolando il tunneling degli elettroni attraverso la molecola, mentre la conformazione orto ha orbitali Au-S allineati sullo stesso piano dei legami Si-Si, consentendo una maggiore mobilità degli elettroni attraverso la rete di legame sigma.
La commutazione elettrochimica avviene a una distanza Au-Au specifica per ciascuno degli oligosilani, e le variazioni di conduttanza in tempo reale rispetto alla distanza. Per di più, l'interruttore molecolare ha due stati di conduttanza discreti, in contrasto con un terzo stato di transizione. Mentre c'è un punto in cui un legame diedro terminale è in una conformazione orto e l'altro è una conformazione anti, la conduttanza rimane allo stato basso fino a quando entrambi i legami sono nella conformazione orto, rendendo questo un vero interruttore binario basato su effetti stereoelettronici.
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