Pagbubukas ng paraan para sa paglipat ng impormasyon sa maliliit na tanikala

STEM (pag-scan ng electron microscopy) imahe ng isang isang-dimensional na hanay ng mga F4TCNQ na mga molekula (dilaw-kahel) sa isang madaling iakma na aparato ng graphene. May-akda: Berkeley Laboratory

Ang pag-alis ng isang sisingilin na molekula mula sa isang isang-dimensional na hanay ay nagiging sanhi ng pag-on o pag-off ng iba, na magbubukas ng paraan para sa impormasyon na mailipat sa maliliit na tanikala.

Ang mga maliliit na elektronikong circuit ay nagpapalakas sa aming pang-araw-araw na buhay, mula sa maliliit na camera sa mga telepono hanggang sa microprocessors sa mga computer. Upang gawing mas maliit ang mga aparatong ito, ang mga siyentista at inhinyero ay bumubuo ng mga bahagi ng circuit mula sa mga solong molekula. Hindi lamang ang mga miniaturized circuit ay nag-aalok ng mga benepisyo ng pagdaragdag ng density ng aparato, bilis, at kahusayan ng enerhiya – halimbawa, sa kakayahang umangkop na electronics o imbakan ng data – ngunit ang paggamit ng mga pisikal na katangian ng ilang mga molekula ay maaaring humantong sa mga aparato na may natatanging pagpapaandar. Gayunpaman, ang pagbuo ng mga praktikal na nanoelectronic aparato mula sa solong mga molekula ay nangangailangan ng tumpak na kontrol sa elektronikong pag-uugali ng mga molekulang ito at isang maaasahang pamamaraan ng paggawa nito.

Ngayon, tulad ng naiulat sa magazine Kalikasan Elektronika, ang mga mananaliksik ay nakabuo ng isang pamamaraan para sa pagkuha ng isang isang-dimensional na hanay ng mga indibidwal na mga molekula at tiyak na pagkontrol sa istrukturang elektronikong ito. Maingat na inaayos ang boltahe na inilapat sa kadena ng mga molekula na naka-embed sa isang-dimensional na carbon (graphene), isang pangkat na pinangunahan ng mga mananaliksik sa Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) natagpuan na makokontrol nito kung lahat, wala o ilan sa mga molekula ay nagdadala ng isang singil sa kuryente. Ang nagresultang sample ng singil ay maaaring ilipat kasama ng kadena sa pamamagitan ng pagmamanipula ng mga indibidwal na mga molekula sa dulo ng kadena.

“Kung magtatayo ka ng mga kagamitang elektrikal mula sa mga indibidwal na molekula, kailangan mo ng mga molekula na may kapaki-pakinabang na pagpapaandar, at kailangan mong maunawaan kung paano ilalagay ang mga ito sa isang kapaki-pakinabang na mode. Ginawa namin ang pareho sa mga bagay na ito sa gawaing ito, “sabi ni Michael Crommy, isang matandang lektor sa Kagawaran ng Materyal na Agham ng Berkeley Laboratory na namuno sa proyekto. Ang pag-aaral ay bahagi ng US Department of Energy (DOE) na pinondohan ng programa ng pagpapatakbo ng mga nanomachines na programa. ay upang maunawaan ang mga de-koryenteng at mekanikal na katangian ng mga molekular nanosucture at upang lumikha ng mga bagong nanomachine batay sa mga molekula na may kakayahang pag-convert ng enerhiya mula sa isang anyo patungo sa isa pa sa isang nanoscale.

Ang isang pangunahing tampok ng molekulang mayaman sa fluoride na napili ng pangkat ng Berkeley Laboratory ay ang malakas na ugali nitong tanggapin ang mga electron. Upang makontrol ang mga elektronikong katangian ng isang tumpak na nakahanay na kadena ng 15 mga naturang mga molekula na idineposito sa isang graphene substrate, si Chrome, na isang propesor din ng pisika sa University of Berkeley, at ang kanyang mga kasamahan ay naglagay ng isang metal electrode sa ilalim ng graphene na hiwalay din mula rito sa pamamagitan ng isang manipis na layer ng pagkakabukod. Ang aplikasyon ng isang boltahe sa pagitan ng mga molekula at isang elektrod ay gumagalaw ng mga electron papunta o labas ng mga molekula. Kaya, ang mga molekulang sinusuportahan ng graphene ay kumilos sa anumang paraan tulad ng isang kapasitor, isang sangkap na elektrikal na ginagamit sa isang circuit upang mag-imbak at maglabas ng singil. Ngunit, hindi tulad ng isang “maginoo” macroscopic capacitor, sa pamamagitan ng pag-aayos ng boltahe sa ilalim ng elektrod, nakontrol ng mga mananaliksik kung aling mga molekula ang sisingilin at kung saan mananatiling walang kinikilingan.

Chain ng Molekular

Ang isang isang-dimensional na hanay ng mga molekula ay lilipat mula sa isang naka-charge na electrically (asul na tuldok) sa isang walang kinikilingan (walang laman na tuldok) kapag ang isang kakaibang bilang ng mga molekula ay tinanggal mula sa dulo ng imahe. Ito ay sanhi ng electron na magbago sa isang Molekyul na pangalawa sa huling, sapilitang ang natitirang mga molekula upang ilipat ang kanilang estado ng pagsingil, kaya binago ang variable na pattern ng pagsingil. May-akda: Berkeley Laboratory

Sa mga nakaraang pag-aaral ng mga pagtitipon ng molekular ang mga elektronikong katangian ng mga molekula ay hindi maaaring maging pareho nakatutok at nai-mapa sa mga kaliskis ng haba ng atom. Nang walang idinagdag na kakayahang imahen ang ugnayan sa pagitan ng istraktura at pag-andar ay hindi maaaring ganap na maunawaan sa konteksto ng mga de-koryenteng aparato. Sa pamamagitan ng paglalagay ng mga molekula sa isang espesyal na idinisenyong template sa isang graphene substrate na binuo sa Molecular Foundry Berkeley Lab, ginawang ganap na magagamit ni Crommy at ng kanyang mga kasamahan ang mga molekula para sa parehong microscopic at electrical manipulation.

Tulad ng inaasahan, ang paglalapat ng isang malakas na positibong boltahe sa metal electrode sa ilalim ng graphene na sumusuporta sa mga molekula ay pinunan sila ng mga electron, na iniiwan ang buong array ng molekular sa isang negatibong singil na estado. Ang pag-alis o pag-reverse ng boltahe na ito ay sanhi ng lahat ng mga idinagdag na electron na iwanan ang mga molekula, na binabalik ang buong array sa isang walang kinikilingan na estado ng pagsingil. Gayunpaman, sa isang intermediate boltahe, pinupunan lamang ng mga electron ang lahat ng iba pang mga molekula sa array, sa gayon ay lumilikha ng isang pattern ng pagsingil na “checkerboard”. Ipinaliwanag ng Chrome at ng kanyang koponan ang bagong pag-uugaling ito sa pamamagitan ng katotohanang nagtataboy ang mga electron sa bawat isa. Kung ang dalawang sisingilin na mga molekula ay agad na sumakop sa mga katabing site, ang kanilang pagtataboy ay maitaboy ang isa sa mga electron at maging sanhi ito upang manirahan sa isang lugar nang mas malayo sa mga serye ng molekula.

“Maaari nating gawing walang laman ang lahat ng mga molekula, o kumpleto, o variable. Tinawag namin itong modelo ng sama-sama na pagsingil sapagkat natutukoy ito sa pamamagitan ng pagtataboy ng isang elektron mula sa isang elektron sa buong istraktura, “sabi ni Crom.

Ang mga pagkalkula ay nagpapahiwatig na sa isang hanay ng mga molekula na may variable na singil, ang pangwakas na molekula sa array ay dapat palaging naglalaman ng isang labis na elektron, sapagkat ang molekulang ito ay walang pangalawang kapitbahay na maaaring maging sanhi ng pagtulak. Upang pang-eksperimentong maimbestigahan ang ganitong uri ng pag-uugali, inalis ng koponan ng lab ng Berkeley ang isang may hangganan na molekula mula sa isang hanay ng mga molekula na may mga variable na singil. Nalaman nila na ang orihinal na pattern ng pagsingil ay binago ng isang molekula: ang mga site na sisingilin ay naging walang kinikilingan at kabaligtaran. Napagpasyahan ng mga mananaliksik na bago natanggal ang sisingilin na panghuling molekula, ang katabing molekula ay dapat na walang kinikilingan. Sa bagong posisyon sa pagtatapos ng array ang dating Molekyul ay nasingil. Upang mapanatili ang isang variable na pattern sa pagitan ng mga sisingilin at walang bayad na mga molekula, ang buong pattern ng pagsingil ay kailangang ilipat ng isang molekula.

Kung ang pagsingil ng bawat Molekyul ay isinasaalang-alang bilang isang kaunting impormasyon, pagkatapos ang pag-aalis ng panghuling Molekyul ay nagdudulot sa buong pattern ng impormasyon na baguhin ng isang posisyon. Ginagaya ng pag-uugaling ito ang pagrehistro ng electronic shift sa isang digital circuit at nagbibigay ng mga bagong pagkakataon na ilipat ang impormasyon mula sa isang lugar ng isang aparato na molekular patungo sa isa pa. Ang paglipat ng isang molekula sa isang dulo ng isang array ay maaaring magsilbing isang switch o off switch sa ibang lokasyon ng aparato, na nagbibigay ng kapaki-pakinabang na pagpapaandar para sa isang hinaharap na circuit ng lohika.

“Ang isang bagay na nakita namin na talagang kawili-wili sa resulta na ito ay nagawa naming baguhin ang singil sa elektronik at sa gayon ang mga katangian ng mga molekula mula sa isang malayong distansya. Ang antas ng pagkontrol na ito ay bago, ”sabi ni Crommy.

Sa kanilang molekular na hanay, nakamit ng mga mananaliksik ang layunin ng paglikha ng isang istraktura na may napaka tukoy na pagpapaandar; iyon ay, isang istraktura na ang mga singil sa molekula ay maaaring maayos sa pagitan ng iba’t ibang mga posibleng estado sa pamamagitan ng paglalapat ng stress. Ang pagbabago ng singil ng mga molekula ay nagdudulot ng pagbabago sa kanilang elektronikong pag-uugali at, bilang resulta, ang pagpapaandar ng buong aparato. Ang gawaing ito ay tapos na salamat sa mga pagsisikap ng DOE na lumikha ng tumpak na mga molekular nanosucture na may mahusay na natukoy na pagpapaandar ng electromekanical.

Ang pamamaraan ng koponan ng Berkeley Laboratory para sa pagkontrol ng mga modelo ng pagsingil ng molekula ay maaaring humantong sa mga bagong disenyo ng mga nanoscale na elektronikong sangkap, kabilang ang mga transistor at mga pintuang-daan. Ang pamamaraan ay maaari ding gawing pangkalahatan sa iba pang mga materyales at isama sa mas kumplikadong mga network ng molekula. Ang isang posibilidad ay upang ipasadya ang mga molekula upang lumikha ng mas kumplikadong mga scheme ng pagsingil. Halimbawa, pagpapalit ng isa atomo na may isa pang sa molekula ay maaaring baguhin ang mga katangian ng Molekyul. Ang paglalagay ng mga nasabing nabago na mga molekula sa isang array ay maaaring lumikha ng bagong pagpapaandar. Batay sa mga resulta, pinaplano ng mga mananaliksik na suriin ang pagpapaandar na mga resulta mula sa mga bagong pagbabago sa mga molekular array, pati na rin kung paano sila magagamit bilang maliliit na bahagi ng isang kadena. Sa paglaon, plano nilang isama ang mga istrukturang ito sa mas praktikal na mga aparatong nanoscale.

Sanggunian: “Rehistro ng mga pagbabago sa molekula na ginawa gamit ang nasusukat na mga pattern ng pagsingil sa isang-dimensional na mga molekular array sa graphene”, Xing-Tson Tsai, Johannes Lishner, Arash A. Omrani, Franklin Liu, Andrew S. Aikova, Christoph Karashk, Sebastian Wii, Kyler C. Natividad, Jin Chen, Won-Woo Choi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Chenliang Su, Steven G. Louie, Alex Zettl, Jiong Lu at Michael F. Crommie, Setyembre 28, 2020, Kalikasan Elektronika.
DOI: 10.1038 / s41928-020-00479-4

Ang Molecular Foundry ay ang Ministry of Science na matatagpuan sa Berkeley Laboratory.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mga bloke ng dami ng gusali para sa mga kakaibang elektronikong katangian ng magnetiko at magnetiko

Ang mga metal ng paglipat ay naka-crosslink sa graphene ng isang form ng electron beam na nangangako ng mga bloke ng kabuuan ng gusali....

Global Warming Threatens Food Chains – “Ang Epekto ay Maaaring Maging Mahusay”

Sinuri ng pag-aaral ang plankton sa mga lawa ng tubig-tabang na nahantad sa pitong taon ng pang-eksperimentong init. Kredito: University of Exeter Ang pagtaas...

Pagbotelya ng Pinakalamig na Plasma sa Daigdig upang Ipakita ang mga Lihim ng Lakas ng Fusion

Ang mag-aaral na nagtapos sa Rice University na si Grant Gorman ay nagtatrabaho sa Rice's Ultracold Atoms at Plasmas Lab. Larawan: Jeff Fitlow...

Pakiramdam ng Paglahok sa Susi sa Pagsulong

Ang mga mag-aaral ng high school ay lalo na na uudyok sa loob ng paaralan kung sa palagay nila kabilang sila sa kanilang paaralan. Maaaring...

Ang mga mananaliksik ay nagkakaroon ng mas mabilis na pagtatasa ng network upang mapahusay ang mga referral algorithm at mga paghahanap sa web

Ang mga mananaliksik ng MIT ay bumuo ng software upang mas mahusay na patakbuhin ang mga aplikasyon ng grapiko sa isang saklaw ng hardware...

Newsletter

Subscribe to stay updated.