DTU Kemi er med i et forskerhold, som har fundet et system, der øger forståelsen af et centralt element i nanovidenskaben, nemlig hvordan elektrontransport forløber i overgangen fra enkeltmolekyler til makroskopiske systemer. Opdagelsen kan bl.a. få betydning for udvikling af ny elektronik i nanoskala.
I nanoelektronik arbejder man på at gøre komponenter så små som muligt. I takt med at komponenterne gøres stadigt mindre, ændrer de også deres egenskaber, hvilket påvirker deres elektrontransport. Nu er man kommet et skridt nærmere i forståelsen af molekylernes adfærd, da det er lykkedes forskerholdet at kortlægge et system for elektrontransport i overgangen fra enkeltmolekyler til store molekylsystemer.
”Elektrontransport kan følges helt nede på det enkelte molekyles niveau, men overgangen mellem enkeltmolekylers adfærd og molekylers adfærd i store samlinger – det man kalder makroskopisk adfærd – er ikke nær så godt klarlagt. Nu er det faktisk lykkedes at finde et system, der beskriver denne overgang”, fortæller professor emeritus Jens Ulstrup, DTU Kemi, som understreger, at netop overgangen mellem makroskopisk adfærd og enkeltmolekylers adfærd er nanoteknologiens kerne og central, når ny nanoelektronik skal udvikles.
Forskerne nåede frem til opdagelsen ved at sende strøm igennem et ”smart” molekyle, ferrocen (Fc) forbundet med to guldelektroder. Ved hjælp af en kvantemekanisk teknologi kaldet skanning tunnelmikroskopi målte de ledningsevnen ved at spore elektrontransporten i molekylerne ét ad gangen.
”Mange tusinde elektriske enkeltmolekylemålinger er gennemført”. De viste, at elektrontransporten for det enkelte molekyle udviste store fluktuationer. Men når gennemsnittet blev regnet ud, fremkom den makroskopiske adfærd. Ud fra antallet af enkeltmolekyle-målinger kunne overgangen fra det enkelte molekyles ”tilfældige adfærd” til makroskopisk termodynamisk adfærd fastlægges”, forklarer Jens Ulstrup.
Forskerholdet er ledet af Professor Nongjian Tao fra Arizona State University. Ud over Jens Ulstrup fra DTU Kemis NanoKemi-gruppe, kommer forskerne desuden fra Nanjing, Fudan og Shanghai Universiteter. Resultaterne er netop udgivet i det anerkendte tidskrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, PNAS.
Molekylernes adfærd i flere skalaer er afgørende
Nanoteknologi handler ikke blot om meget små systemer (1 nanometer = én milliarddel meter), men også om, hvordan de er små.
”Når vi går fra store, makroskopiske systemer ned til det enkelte molekyle, begynder systemernes egenskaber at afhænge af deres størrelse fra ca. 100 nm og ned. Når f. eks. en klump guld skæres i mindre og mindre stykker, og vi når ned til ca. 100 nm, ændrer guldstykkerne farve og andre egenskaber på vej videre ned mod det enkelte guldatom”, fortæller Jens Ulstrup.
I disse størrelsesområder har hver enkelt 1-100 nm enhed også egenskaber lidt forskellige fra sine naboers. Molekyler på en overflade er bundet lidt forskelligt og leder elektrisk strøm forskelligt. Man siger, at de molekylære egenskaber fluktuerer. Først når middelegenskaberne af et meget stort molekyltal eller målinger er bestemt, får man de velkendte makroskopiske egenskaber. Derfor har forskerne gennemført flere tusinde målinger for at kortlægge overgangen til den makroskopiske adfærd.
Elektrontransport er det vigtigste elementære trin i kemiske og biologiske processer og kontrollerer også nanoelektronik som transistorer og dioder. Det er bemærkelsesværdigt, at elektrontransport nu kan følges helt nede på det enkelte molekyles niveau, men overgangen mellem enkeltmolekylers og molekylers makroskopiske adfærd er meget langt fra forstået.
I nanoelektronik stiles mod, at komponenterne bliver så små som muligt, men i molekylær størrelse (”molekylær elektronik”) støder man på problemet med egenskaber, der bliver størrelsesafhængige og fluktuerer, også benævnt stokastiske fænomener. Overgangen mellem makroskopisk og enkeltmolekyle adfærd er nanoteknologiens kerne og central, når ny nanoelektronik skal udvikles.
Vigtig viden for udvikling af fremtidens elektronik
At forskerne nu har fundet et nyt system for kortlægning af overgangen mellem enkeltmolekylers adfærd og deres adfærd i store molekylsamlinger kan blive af betydning for fremtidens udvikling af transistorer og andre elektroniske komponenter, som skal være stadig mindre i vores elektronik.
”Chippen i f. eks. vores pc’ere består af transistorer, som styrer de elektroniske signaler, og behovet for mere computerkraft kræver flere transistorer på det samme areal. I dag kan transistorer fremstilles ned til ca. 40 nm eller mindre, og der er løbende behov for mere udvikling. Her er det vigtigt at vide, hvornår de molekylære enheder bliver så små, at molekylerne begynder at opføre sig tilfældigt, og deres egenskaber at fluktuere. Derfor er vores resultater af betydning for nanoteknologien”, uddyber Jens.
Den nye undersøgelse er baseret på ”ferrocener”, Fc, hvor et jernatom er bundet mellem to flade ligandmolekyler. Molekylerne er ”smarte” ved at optræde både i reduceret, Fc og oxideret form Fc+, hvor Fc+ leder elektrisk strøm bedst. ”Smarte” molekyler har langt mere molekylærelektronisk perspektiv end simple, ikke så ”smarte” molekyler, der kun optræder i én enkelt form.
Fc/Fc+ kan udstyres med linkergrupper, der hæfter Fc/Fc+ til to guldelektroder i et skanning-tunnel-mikroskop. Herved kan meget velkontrolleret elektrisk strøm kortlægges i molekylær skala. Kombinationen af et ”smart” molekyle med elektrontransport mellem elektroderne er et nøgleperspektiv i forståelse af, hvornår et molekylært system går fra at være enkeltmolekyle til makroskopisk.
