Американские учёные создали диод из одной молекулы

Уменьшение размеров электроники приведёт к снижению стоимости и улучшению производительности электронных устройств. Но не ради самой технологии, а скорее из научного интереса, исследователи из разных стран скооперировались, придумали и создали самую миниатюрную копию одного из ключевых компонентов электрических цепей.

Статья, посвящённая работе Тао (на фото) и его коллег, опубликована в журнале Nature Chemistry (фото Biodesign Institute at Arizona State University).

Диоды встречаются в бесчисленном множестве устройств. Эти компоненты схем самых разных форм и размеров являются ключевыми ингредиентами полупроводниковой индустрии.

Однако учёные пытаются воспроизвести их и в нанометровом масштабе. "Транзисторы, к примеру, уже достигли размера в несколько десятков нанометров, что в среднем всего лишь в 20 раз больше молекулы вещества. Вот почему люди так увлечены идеей создания молекулярной электроники", — рассказывает в пресс-релизе университета Аризоны ведущий исследователь Нунцзянь Тао (Nongjian Tao).

Идея преодоления ограничения размеров кремниевых транзисторов с помощью молекул витала в воздухе давно. О том, что молекулы веществ могут стать диодами, химики-теоретики впервые заговорили ещё в 1974 году. Более 30 лет исследователи пытались реализовать теорию на практике.

В большинстве случаев использовались несколько молекул, например, молекулярные тонкие плёнки, и лишь несколько научных групп обращались к единичным молекулам. Одно из препятствий на этом пути – сложности с подключением отдельной молекулы к двум электродам, поставляющим ток, другое – получение нужной ориентации молекулы в устройстве (напомним, что диоды отличаются тем, что позволяют току течь по электрической цепи только в одной направлении).

Схема молекулярного диода: симметричная молекула (вверху) пропускает ток в обе стороны, несимметричная (внизу) перекрывает поток в одну сторону, превращаясь в одномолекулярный диод (иллюстрация Biodesign Institute at Arizona State University).

"Мы смогли создать одномолекулярное устройство со строго определённой ориентацией", — говорит Тао. В своём исследовании учёные использовали ассиметричную молекулу, один её "хвост" образовывал ковалентную связь с положительно заряженным катодом, а второй – с отрицательно заряженным анодом.

Физики сравнили перенос электронов у симметричной и асимметричной молекул. В первом случае ток протекал в обе стороны, то есть молекула работала как обычный резистор. Создать второй вариант было сложнее, но он представлял для учёных куда большую ценность.

"Работать с одной молекулой интересно. Мы прикладывали напряжение, механическое усилие, измеряли ток и отклик на воздействие. Поведение отдельной молекулы определяется законами квантовой физики, в результате свойства миниатюрных устройств отличаются от таковых у стандартных. Мы параллельно изучили и эти различия", — говорит Нунцзянь.

"Лично для меня молекулярная электроника интересна не только из-за своих потенциальных приложений в качестве замены устройств на основе кремния, но и как система с уникальными электронными, механическими и оптическими свойствами. Возможно, она не просто заменит, но и дополнят работу обычных полупроводников", — добавляет учёный.