Тайваньские ученые создали универсальную модель проводимости отдельных молекул

Группа исследователей из Национального университета Тайваня под руководством доктора Хао Пэна и доктора Чи-Хсуна Лина смогла количественно измерить «интеграл межфазного переноса» между молекулами и золотыми электродами, покрытыми одноатомными адсорбционными слоями металлов p-блока. Работа открывает новый подход к прогнозированию проводимости отдельных молекул и устраняет давние расхождения в экспериментальных данных.Идея использования одной молекулы в качестве функционального элемента, например диода, была предложена Авирамом и Ратнером еще в 1974 году. Реализация этой концепции требовала инструментов, позволяющих контактировать с отдельной молекулой и измерять ее свойства, и даже после появления таких технологий исследователи сталкивались с сильными вариациями результатов. При повторных измерениях одной и той же молекулы с использованием одного и того же электрода значения проводимости могли различаться более чем в десять раз.

Причина этой неопределенности крылась в интерфейсе молекула–металл. Даже обладая физическим контактом с молекулой, ученые не понимали точных механизмов ее взаимодействия с металлической поверхностью.

Золотые электроды традиционно использовались из-за высокой химической стабильности и пластичности. На наноскопическом уровне золото можно растягивать и создавать зазоры, в которые помещается одна молекула. Однако сложная электронная структура золота, основанная на d-орбиталях, затрудняла понимание фундаментальных процессов переноса электронов на молекулярном уровне.

Для устранения сложности команда Национального университета Тайваня модифицировала золотые электроды, нанеся на них одноатомные слои висмута (Bi) и свинца (Pb). Это позволило упростить электронную структуру контакта и выявить прямую связь между наклоном молекулы, перекрытием ее атомных орбиталей и проводимостью.

Впервые абстрактный интеграл перескока был превращен в количественно измеримую величину, что дало исследователям инструмент для точного предсказания проводимости отдельных молекул.

Новая модель доказала свою применимость не только к модифицированным электродам, но и к традиционным золотым контактам, подтвердив универсальность выявленных правил.

«Полученные результаты предлагают концептуальную модель управления переносом заряда в электронных устройствах молекулярного масштаба и могут служить ориентиром при проектировании будущих наноразмерных схем на основе отдельных молекул», — отмечает ведущий автор исследования Чун-сянь Чен, профессор химии Национального университета Тайваня.

Статья команды опубликована в журнале American Chemical Society, открывая новые возможности для прогнозирования и управления проводимостью на уровне одной молекулы.