La struttura di una giunzione molecolare con interazione non covalente gioca un ruolo chiave nel trasporto degli elettroni, rivela un recente studio condotto dai ricercatori della Tokyo Tech. Attraverso simultanee misurazioni dello scattering Raman sulla superficie e della corrente-tensione, hanno scoperto che una singola giunzione dimerica della molecola di naftalentiolo mostra tre diversi legami, vale a dire le interazioni intermolecolari π–π e attraverso il π e attraverso lo spazio tra molecola ed elettrodo.
L'interazione π–π è un tipo di interazione non covalente che si verifica quando le nuvole di elettroni negli orbitali π degli anelli aromatici o dei sistemi molecolari coniugati con π si sovrappongono. Questa interazione consente un movimento efficiente di elettroni tra le molecole, offrendo il potenziale per progettare materiali con proprietà elettroniche uniche.
La struttura delle giunzioni formate da queste molecole gioca un ruolo decisivo nel trasporto degli elettroni. Tuttavia, informazioni strutturali insufficienti su queste giunzioni hanno reso difficile stabilire una chiara relazione tra la struttura e le proprietà di trasporto degli elettroni.
Per colmare questa lacuna di conoscenze, un gruppo di ricercatori giapponesi, guidati dal professore assistente Satoshi Kaneko e dal professore associato Tomoaki Nishino del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), ha recentemente fabbricato una singola giunzione dimero e monomero della molecola di naftalenetiolo (NT) e hanno condotto un esame dettagliato della loro struttura e delle proprietà di trasporto degli elettroni utilizzando misurazioni ottiche ed elettriche combinate. Il loro studio è stato pubblicato di recente sul Journal of American Chemical Society .
I ricercatori hanno fabbricato la giunzione depositando prima un elettrodo d’oro su una piastra di bronzo fosforoso rivestita con uno strato di poliimmide. Successivamente, hanno rimosso selettivamente il materiale di poliimmide sotto la regione centrale dell’elettrodo d’oro, formando una struttura indipendente. Infine, hanno aggiunto goccia a goccia una soluzione di etanolo contenente NT sul substrato, determinando la formazione di un singolo strato di molecole di NT che collegano gli elettrodi d'oro.
Dopo aver fabbricato la giunzione, i ricercatori hanno quindi condotto simultanee misurazioni in situ dello scattering Raman superficiale (SERS) e della corrente-tensione (I-V) impiegando la tecnica della giunzione di interruzione controllabile meccanicamente. "Ciò è stato seguito da un'analisi di correlazione dell'energia vibrazionale misurata e dei valori di conduttanza elettrica, consentendo l'identificazione delle interazioni intermolecolari e molecola-elettrodo e delle proprietà di trasporto nella giunzione NT", spiega il dottor Kaneko.
Le misurazioni della corrente-tensione hanno rivelato stati distinti di alta e bassa conduttività. Mentre uno stato ad alta conduttanza ha origine da una giunzione monomerica NT, dove la molecola interagisce direttamente con gli elettrodi d'oro attraverso il legame π diretto, lo stato a bassa conduttanza emerge a causa di un dimero NT formato dall'interazione intermolecolare π–π.
Tuttavia, considerando l’energia vibrazionale insieme alla conduttanza, sono state confermate tre strutture distinte alla giunzione, corrispondenti rispettivamente a uno stato di alta conduttanza e a due stati di bassa conduttanza. Quando l'anello naftalenico, sia in configurazione dimerica che monomerica, interagiva direttamente con gli elettrodi d'oro attraverso l'accoppiamento π, si formavano giunzioni altamente conduttive. Al contrario, le deboli interazioni tra l'anello naftalene e l'elettrodo d'oro attraverso l'accoppiamento spaziale hanno prodotto giunzioni debolmente conduttive.
"L'applicazione simultanea della tecnica SERS e I-V potrebbe discriminare le varie interazioni non covalenti nella giunzione molecolare NT, facendo luce sulle sue proprietà di trasporto degli elettroni. Inoltre, il carattere non covalente è stato rivelato anche dagli spettri di densità di potenza", afferma il dott. Nishino.
I presenti risultati forniscono quindi importanti spunti sulle interazioni π–π che potrebbero aprire la strada all'utilizzo di molecole aromatiche nella progettazione di futuri dispositivi e tecnologie elettronici.
Ulteriori informazioni: Kanji Homma et al, Intermolecular and Electrode-Molecule Bonding in a Single Dimer Junction of Naphthalenethiol come rivelato dallo scattering Raman potenziato dalla superficie combinato con misurazioni di trasporto, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c02050
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
