Eine neue Studie von Forschern des Tyndall National Institute und der National University of Singapore zeigt, dass subtile Änderungen der intermolekularen Van-der-Waals-Wechselwirkungen in der aktiven Komponente einer molekularen Diode die Geräteleistung um mehr als den Faktor zehn verbessern können.
Ein Team von Wissenschaftlern des Tyndall National Institute am University College Cork und der National University of Singapore hat ultrakleine Geräte für energieeffiziente Elektronik entworfen und hergestellt. Indem man herausfand, wie sich Moleküle in diesen Geräten verhalten, konnte die Schalteffizienz durch den Austausch nur eines Kohlenstoffs um das Zehnfache gesteigert werdenAtom. Diese Geräte könnten neue Wege zur Bekämpfung der Überhitzung in Mobiltelefonen und Laptops bieten und könnten auch bei der elektrischen Stimulation der Gewebereparatur zur Wundheilung helfen. Die bahnbrechende Entwicklung molekularer Geräte mit hochgradig kontrollierbaren elektrischen Eigenschaften wird in der Februarausgabe von veröffentlichtNatur-Nanotechnologie. Dr. Damien Thompson vom Tyndall National Institute, UCC, und ein Forscherteam der National University of Singapore unter der Leitung von Prof. Chris Nijhuis haben die Geräte entworfen und entwickelt, die auf Molekülen basieren, die als elektrische Ventile oder Diodengleichrichter fungieren.
Dr. Thompson erklärt: „Diese Moleküle sind sehr nützlich, weil sie im eingeschalteten Zustand den Stromfluss zulassen und im ausgeschalteten Zustand den Stromfluss blockieren. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die einfache Zugabe eines zusätzlichen Kohlenstoffs ausreicht, um die Geräteleistung um mehr als das Zehnfache zu verbessern. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse verfolgen wir viele neue Ideen und hoffen, letztendlich eine Reihe neuer Komponenten für elektronische Geräte zu entwickeln.“ Dr. Thompsons Computersimulationen auf Atomebene zeigten, dass Moleküle mit einer ungeraden Anzahl von Kohlenstoffatomen gerader stehen als Moleküle mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen. Dadurch können sie enger zusammengepackt werden. Dicht gepackte Anordnungen dieser Moleküle wurden von der Nijhuis-Gruppe in Singapur auf Metallelektrodenoberflächen gebildet und erwiesen sich als bemerkenswert frei von Defekten. Diese hochwertigen Geräte können Leckströme unterdrücken und arbeiten so effizient und zuverlässig. Das Gerät lässt sich rein anhand der Ladung und Form der Moleküle sauber ein- und ausschalten, genau wie bei den biologischen Nanomaschinen, die regulierenPhotosynthese, Zellteilung und Gewebewachstum.
Prof. Jim Greer, Leiter der Tyndall Electronic Theory Group, erklärt: „Moderne elektronische Geräte wie Telefone und Tablets basieren heute in der Herstellung auf winzigen Schaltern, die sich molekularen Größen annähern. Dies stellt neue Herausforderungen für die Elektronik dar, eröffnet jedoch spannende Möglichkeiten, molekulare Eigenschaften vorteilhaft zu nutzen. Dr. Thompsons Arbeit ist ein aufregender neuer Weg, molekulares Design zu nutzen, um neue Wege zur Durchführung der Informationsverarbeitung zu finden.“ Eine wichtige Aktivierungsfunktion fürnanoskaligElektronik wird die Fähigkeit sein, Moleküle als Gleichrichter und Schalter zu verwenden. Durch die Demonstration des rationalen Designs von Molekülen, die Strom mit einem großen und hochreproduzierbaren EIN/AUS-Verhältnis gleichrichten, liefert die Studie einen wichtigen Fortschritt bei der Entwicklung technologisch realisierbarer ultrakleiner Gerätekomponenten. Fünfzigtausend der aneinandergereihten Gleichrichtermoleküle würden über den Durchmesser eines menschlichen Haares passen. Fortschritte in der Informatik, Synthese und Charakterisierung bedeuten, dass Wissenschaftler nun Materialien auf der Skala von Atomen und Molekülen verstehen und kontrollieren können.
Die Studie wurde auf irischer Seite durch einen „Starting Investigator Award“ der Science Foundation Ireland an Dr. Thompson finanziert. Die Computersimulationen wurden auf von der Science Foundation Ireland unterstützten Computerclustern in Tyndall und am Irish Centre for High End Computing durchgeführt. Die kombinierten Experimente und Simulationen zeigen zum ersten Mal, dass geringfügige Verbesserungen der Molekülorientierung und -packung Veränderungen der Van-der-Waals-Kräfte auslösen, die groß genug sind, um die Leistung elektronischer Geräte dramatisch zu verbessern. Dr. Thompson erklärt: „Diese Van-der-Waals-Kräfte sind die schwächsten aller intermolekularen Kräfte und werden nur dann signifikant, wenn sie über große Bereiche summiert werden. Daher hat der Großteil der Forschung zu ultrakleinen Geräten bisher stärkere „Pi-Pi“-Wechselwirkungen verwendet, um Moleküle zusammenzuhalten, und die viel schwächeren, aber allgegenwärtigen Van-der-Waals-Wechselwirkungen ignoriert. Die vorliegende Studie zeigt, wie Van-der-Waals-Effekte sein können, die in jedem denkbaren Gerät im molekularen Maßstab vorhanden sind abgestimmt, um die Leistung des Geräts zu optimieren.“
Die Geräte basieren auf Molekülen, die als Dioden fungieren, indem sie Strom durch sie fließen lassen, wenn sie mit Vorspannung betrieben werden, und den Strom blockieren, wenn die Vorspannung umgekehrt wird. Molekulare Gleichrichter wurden erstmals 1974 vorgeschlagen, und Fortschritte im wissenschaftlichen Rechnen haben es im letzten Jahrzehnt ermöglicht, das Design auf molekularer Ebene zur Entwicklung neuer organischer Materialien zu nutzen, die bessere elektrische Reaktionen bieten. Allerdings wurden die relative Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, die Art des Molekül-Metall-Kontakts und der Einfluss von Umwelteinflüssen in Frage gestellt. Diese neue Forschung zeigt, dass durch die Kontrolle der Van-der-Waals-Kräfte, die die Moleküle zusammenpacken, dramatische Verbesserungen der Geräteleistung erzielt werden können. Eine einfache Änderung der Anzahl der Kohlenstoffatome um eins führt zu deutlich stabileren und reproduzierbareren Geräten, die eine Verbesserung des EIN/AUS-Verhältnisses um eine Größenordnung aufweisen. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die Geräteleistung durch die Schaffung engerer Dichtungen zwischen Molekülen zu steigern.
„Die Entwicklung molekularer Elektronik hängt stark von Simulation und Hochleistungsrechnen ab“, kommentierte Prof. Greer. „Die kontinuierliche Unterstützung der Forschungsinfrastruktur in Irland ermöglicht wissenschaftliche Fortschritte, die zu einer verbesserten Interaktion mit globalen Branchenführern führen, und positioniert Irland als wichtigen Anbieter wirkungsvoller Forschung.“
Referenz: „The Smash or from the Walals of Forces in the Performance or Molecular Diodes“ von Nisachol Nisachamnong, Li Yuan, Dong-Chen Qi, Jiang Li, Damien und Christian A. Nijea, 2013.Natur-Nanotechnologie.
DOI: 10.1038/nnano.2012.238
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