Nature: Лестничные молекулы улучшают проводимость в молекулярных соединениях

Размеры электронных устройств становятся всё меньше, и поэтому их уже не получается делать всё более емкими за счёт уменьшения размеров транзисторов на основе кремния в соответствии с законом Мура.

Молекулярная электроника — потенциальный путь для дальнейшей миниатюризации. В ней используются отдельные молекулы как строительные блоки для электронных компонентов. Для таких устройств нужен точный контроль над протеканием электрического тока, но их работу усложняет динамическая природа одномолекулярных компонентов.

Исследователи из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне разработали новый метод управления молекулярной проводимостью. Они использовали молекулы с жёсткой основой, которые не меняют форму.

Учёные также предложили простой способ синтеза таких молекул. Затем они применили эти принципы для создания молекулы, похожей на бабочку. Это показало универсальность метода управления проводимостью молекул.

Исследование было проведено под руководством профессора Чарльза Шредера и профессоров Джеймса Эконома и Сяолиня Лю, а также аспиранта Хао Яна. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Шредер отмечает, что в молекулярной электронике важны гибкость и подвижность молекул. Эти свойства влияют на функциональные характеристики.

Чтобы обеспечить постоянную проводимость независимо от формы молекулы, мы подготовили молекулы с жёсткой основой.

Одна из главных проблем молекулярной электроники — гибкость органических молекул, которые могут иметь несколько конформаций. Каждая конформация может по-разному влиять на электропроводность.

Лю говорит, что молекулы лестничного типа не меняют свою форму и имеют жёсткие конформации. Это позволяет добиться стабильной проводимости молекулярного соединения.

Молекулы лестничного типа имеют непрерывную последовательность химических колец с как минимум двумя общими атомами между кольцами. Благодаря такой структуре молекула «заперта» в определенной форме, и это ограничивает ее вращательное движение, минимизируя колебания проводимости.

Постоянство проводимости важно для использования в функциональных устройствах. Это касается миллиардов компонентов с одинаковыми электронными свойствами.

Янг объясняет, что сложности с контролем молекулярной проводимости препятствуют коммерциализации молекулярных электронных устройств. Однако высокая точность в изготовлении одинаковых компонентов может помочь продвинуть эту сферу и сделать электронные устройства очень маленькими.

Команда использовала особую стратегию синтеза с помощью лестничных соединений, чтобы управлять проводимостью молекул. Этот метод позволяет получать разнообразные заряженные молекулы.

Традиционные методы синтеза используют дорогие исходные материалы и обычно представляют собой двухкомпонентные реакции. Это ограничивает разнообразие продуктов.

При использовании многокомпонентной стратегии one-pot (модульный синтез) исходные материалы проще и коммерчески доступны. Лю говорит, что так можно получить богатое разнообразие молекул для молекулярной электроники.

Лю и Янг применили принцип сохранения формы на примере молекулы, похожей на бабочку. У неё, как и у молекул-лестниц, замкнутая структура и ограниченное вращение. Это позволит создавать новые функциональные материалы и более надёжные устройства.

26.08.2024