Trotoar Jalan untuk Transfer Informasi di Sirkuit Kecil

Gambar STEM (pemindaian mikroskop elektron transmisi) dari array satu dimensi dari molekul F4TCNQ (kuning-oranye) pada perangkat graphene yang dapat disetel pintu. Kredit: Lab Berkeley

Penghapusan molekul bermuatan dari matriks satu dimensi menyebabkan yang lain bergantian ‘on’ atau ‘off’, membuka jalan untuk transfer informasi di sirkuit kecil.

Sirkuit elektronik kecil memberi makan kehidupan sehari-hari kita, dari kamera kecil di ponsel hingga mikroprosesor di komputer kita. Untuk membuat perangkat itu lebih kecil lagi, para ilmuwan dan insinyur telah merancang komponen sirkuit molekul tunggal. Sirkuit miniatur tidak hanya dapat menawarkan manfaat kepadatan perangkat, kecepatan, dan efisiensi energi yang lebih tinggi – misalnya dalam penyimpanan data atau elektronik yang fleksibel – tetapi memanfaatkan sifat fisik molekul tertentu dapat menghasilkan perangkat dengan fungsionalitas unik. Namun, mengembangkan perangkat nanoelektronik praktis dari molekul tunggal memerlukan kontrol yang tepat atas perilaku elektronik molekul tersebut, dan metode yang andal untuk membuatnya.

Sekarang, seperti diberitakan di koran Sifat Elektronik, Para peneliti telah mengembangkan metode untuk membuat satu set satu dimensi molekul individu dan secara tepat mengontrol struktur elektronik mereka. Dengan hati-hati menyesuaikan tekanan yang diterapkan pada rantai molekul yang tertanam dalam karbon satu dimensi (graphene), tim yang dipimpin oleh para peneliti di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) menemukan bahwa mereka dapat memeriksa apakah semua, tidak ada, atau sebagian molekul membawa muatan listrik. Model muatan yang dihasilkan dapat dipindahkan di sepanjang rantai dengan memanipulasi molekul individu di ujung rantai.

“Jika Anda ingin membangun perangkat listrik dari molekul individu, Anda memerlukan molekul yang memiliki fungsi berguna dan Anda harus memahami cara mengaturnya menjadi model yang berguna. Kami melakukan keduanya dalam pekerjaan ini,” kata Michael Crommie, ilmuwan senior di Divisi Ilmu Material dari Laboratorium Berkeley, yang memimpin proyek tersebut. Penelitian ini merupakan bagian dari program Departemen Energi AS (DOE) yang didanai oleh Science on the Characterization of Functional Nanomachines, yang tujuan utamanya adalah untuk memahami sifat listrik dan mekanik dari struktur nano. Molekuler, dan untuk membuat mesin nano berbasis molekul baru yang mampu untuk mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya pada skala nano.

Fitur utama dari molekul kaya fluor yang dipilih oleh tim Berkeley Lab adalah kecenderungannya yang kuat untuk menerima elektron. Untuk mengontrol sifat elektronik dari rantai 15 molekul yang sejajar tepat diendapkan pada substrat graphene, Crommie, yang juga seorang profesor fisika di UC Berkeley, dan rekan-rekannya menempatkan elektroda logam di bawah graphene yang juga dipisahkan darinya. oleh lapisan isolasi tipis. Menerapkan tegangan antara molekul dan elektroda menghantarkan elektron masuk atau keluar dari molekul. Dengan cara ini, molekul yang didukung graphene berperilaku agak seperti kapasitor, komponen listrik yang digunakan dalam rangkaian untuk menghemat dan melepaskan muatan. Tetapi, tidak seperti kapasitor makroskopis “normal”, dengan menyetel tegangan di elektroda bawah, peneliti dapat mengontrol molekul mana yang telah bermuatan dan mana yang tetap netral.

Rantai Molekuler

Susunan molekul satu dimensi berubah dari muatan listrik (titik biru) menjadi netral (titik kosong) ketika sejumlah molekul ganjil dihilangkan pada akhir model. Ini memaksa elektron menjadi molekul kedua setelah molekul terakhir, menyebabkan molekul lain mengubah status muatannya, sehingga mengubah pola muatan bolak-balik. Kredit: Lab Berkeley

Dalam studi sebelumnya tentang rakitan molekul, sifat elektronik molekul tidak mungkin tramindui disetel dan dicitrakan pada skala panjang atom. Tanpa kemampuan tambahan pencitraan, hubungan antara struktur dan fungsi tidak dapat sepenuhnya dipahami dalam konteks perangkat listrik. Dengan menempatkan molekul dalam model yang dirancang khusus berdasarkan substrat graphene yang dikembangkan di fasilitas pengguna sains skala nano Berkeley Lab Molecular Foundry, Crommie dan rekannya telah memastikan bahwa molekul dapat sepenuhnya diakses oleh kedua pengguna. Pengamatan mikroskop baik pada manipulasi listrik.

Seperti yang diharapkan, menerapkan tegangan positif yang kuat ke elektroda logam di bawah graphene yang mendukung molekul mengisinya dengan elektron, meninggalkan seluruh matriks molekul dalam keadaan bermuatan negatif. Penghilangan atau pembalikan tegangan ini menyebabkan semua elektron yang ditambahkan meninggalkan molekul, mengembalikan seluruh matriks ke keadaan muatan netral. Namun, pada tegangan menengah, elektron hanya mengisi semua molekul lain dalam array, sehingga menciptakan “pola hamburan” muatan. Crommie dan timnya menjelaskan perilaku baru ini dengan fakta bahwa elektron saling tolak. Jika dua molekul bermuatan untuk sesaat menempati situs yang berdekatan, maka tolakan mereka akan mendorong salah satu elektron menjauh dan memaksanya untuk mengendapkan situs lebih jauh ke bawah baris molekul.

“Kita dapat membuat semua molekul kosong dari muatan, atau semuanya penuh, atau secara bergantian.” Kami menyebutnya model muatan kolektif karena ini ditentukan oleh tolakan elektron-elektron di seluruh struktur, “kata Crommie.

Perhitungan menunjukkan bahwa dalam serangkaian molekul dengan muatan bolak-balik, molekul terminal dalam matriks harus selalu mengandung satu elektron lagi karena molekul tersebut tidak memiliki detik terdekat untuk menyebabkan tolakan. Untuk menyelidiki secara eksperimental jenis perilaku ini, tim Berkeley Lab memindahkan molekul terakhir menjadi serangkaian molekul yang memiliki muatan bergantian. Mereka menemukan bahwa pola muatan asli diubah oleh satu molekul: situs yang telah diisi menjadi netral dan sebaliknya. Para peneliti menyimpulkan bahwa sebelum molekul terminal bermuatan dihilangkan, molekul yang berdekatan dengannya pasti netral. Dalam posisi barunya di akhir larik, molekul kedua sebelumnya menjadi bermuatan. Untuk mempertahankan pola bolak-balik antara molekul bermuatan dan tak bermuatan, seluruh pola muatan harus berubah dari satu molekul.

Jika muatan setiap molekul dianggap sebagai sedikit informasi, maka penghapusan molekul akhir menyebabkan seluruh skema informasi berubah dari satu posisi. Perilaku itu meniru register geser elektronik dalam sirkuit digital dan memberikan kemungkinan baru untuk mentransmisikan informasi dari satu wilayah perangkat molekuler ke wilayah lain. Memindahkan molekul ke salah satu ujung matriks dapat berfungsi untuk melewati sakelar masuk atau keluar di tempat lain di perangkat, menyediakan fungsionalitas yang berguna untuk rangkaian logika masa depan.

“Satu hal yang kami temukan sangat menarik tentang hasil ini adalah bahwa kami dapat mengubah muatan elektronik dan karena itu sifat molekul dari sangat jauh. Tingkat kontrol ini adalah sesuatu yang baru,” kata Crommie.

Dengan matriks molekul, para peneliti telah mencapai tujuan untuk menciptakan struktur yang memiliki fungsi yang sangat spesifik; yaitu, suatu struktur yang muatan molekulnya dapat diatur secara tepat antara beberapa keadaan yang mungkin dengan menerapkan tegangan. Mengubah muatan molekul menyebabkan perubahan perilaku elektroniknya dan, akibatnya, dalam fungsi perangkat secara keseluruhan. Pekerjaan ini berasal dari upaya DOE untuk membangun struktur nano molekuler yang tepat yang memiliki fungsi elektromekanis yang terdefinisi dengan baik.

Teknik tim Lab Berkeley untuk mengontrol skema pengisian molekul dapat menghasilkan desain baru untuk komponen elektronik skala nano termasuk transistor dan gerbang logika. Teknik ini juga dapat digeneralisasikan ke bahan lain dan digabungkan ke dalam jaringan molekuler yang lebih kompleks. Salah satu kemungkinannya adalah menyetel molekul untuk membuat model muatan yang lebih kompleks. Misalnya, mengganti satu atom dengan yang lain dalam suatu molekul dapat mengubah sifat-sifat molekul tersebut. Menempatkan molekul yang diubah seperti itu dalam larik dapat menciptakan fungsionalitas baru. Berdasarkan hasil ini, para peneliti berencana untuk mengeksplorasi fungsionalitas yang muncul dari variasi baru dalam matriks molekuler, dan bagaimana mereka dapat digunakan sebagai komponen sirkuit kecil. Pada akhirnya, mereka berencana untuk menggabungkan struktur ini menjadi perangkat skala nano yang lebih praktis.

Referensi: “Register perpindahan molekul dibuat dengan model muatan merdu dalam matriks molekul satu dimensi pada graphene” oleh Hsin-Zon Tsai, Johannes Lischner, Arash A. Omrani, Franklin Liou, Andrew S. Aikawa, Christoph Karrasch, Sebastian Wickenburg, Alexander Riss, Kyler C.Natividad, Jin Chen, Choi Won-Woo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Chenliang Su, Steven G. Louie, Alex Zettl, Jiong Lu dan Michael F. Crommie, 28 September 2020, Sifat Elektronik.
DOI: 10.1038 / s41928-020-00479-4

The Molecular Foundry adalah DOE Office of Science yang mudah digunakan yang terletak di Berkeley Lab.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Topan Super Surigae menyulut Pasifik

19 April 2021 Topan super mencapai intensitas ekstrem setahun lebih banyak daripada badai era satelit mana pun. Surigae tidak akan mendarat, tetapi topan yang muncul di...

Mekanisme fotoenzim kunci yang diuraikan

Kesan artis tentang katalisis enzimatik yang diusulkan dalam mekanisme fotodekarboksilase asam lemak (Sains 2021). Kredit: Damien Sorigué Pengoperasian enzim FAP, yang berguna untuk memproduksi...

DOE Mendorong Investasi A.S. yang Agresif dalam Energy Fusion

Sinar laser energi tinggi NIF berkumpul di target di tengah kamera target. Keberhasilan mendapatkan penyalaan fusi akan menjadi langkah maju yang besar dalam...

Fisikawan menciptakan bit kuantum yang dapat mencari materi gelap

Sebuah qubit (persegi panjang kecil) dipasang pada tingkat kebiruan, yang berada di atas jari untuk menunjukkan skala. Ilmuwan di Farmland Universitas Chicago menggunakan...

Ahli paleontologi memperkirakan bahwa 2,5 miliar T. rex menjelajahi Bumi selama periode Kapur

Untuk semua mereka yang terlambatKapur Menurut sebuah studi baru, jumlah total tyrannosaurus yang pernah hidup di Bumi adalah sekitar 2,5 miliar individu, di mana...

Newsletter

Subscribe to stay updated.