По мере того, как электронные компоненты продолжают уменьшаться, физические ограничения по размеру начинают препятствовать тенденции удвоения плотности транзисторов на микрочипах на основе кремния каждые два года в соответствии с законом Мура. Молекулярная электроника, которая изучает использование отдельных молекул в качестве фундаментальных компонентов электронных устройств, представляет собой многообещающее направление для дальнейшей миниатюризации электроники.
Устройства, использующие молекулярную электронику, требуют точного контроля над потоком электрического тока. Тем не менее, динамическая природа этих одномолекулярных компонентов влияет на производительность устройств и их воспроизводимость.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне сообщают об уникальной стратегии управления молекулярной проводимостью с помощью молекул с жесткими опорами, таких как молекулы лестничного типа, известные устойчивой формой. Кроме того, они продемонстрировали простой метод синтеза таких молекул. Затем эти принципы были применены к синтезу молекулы, похожей на бабочку, что продемонстрировало универсальность стратегии для управления молекулярной проводимостью.
Одна из основных проблем молекулярной электроники заключается в том, что многие органические молекулы являются гибкими и имеют множественные молекулярные конформации – расположение атомов из-за вращения связи – причем каждая конформация потенциально приводит к различной электрической проводимости. Лю объясняет: «Для молекулы с множественными конформациями вариация проводимости очень велика, иногда различается в 1000 раз. Мы решили использовать устойчивые молекулы лестничного типа, и они показали стабильный набор жестких конформаций, позволяющий достичь стабильной и надежной проводимости молекулярных переходов».
Молекулы лестничного типа – это класс молекул, которые содержат непрерывную последовательность химических колец как минимум с двумя общими атомами между кольцами, что «запирает» молекулу. Такая структура обеспечивает постоянство формы и ограничивает вращательное движение молекулы, что также сводит к минимуму изменение проводимости.
Наличие постоянной проводимости особенно важно, когда конечной целью молекулярной электроники является использование в функциональном устройстве. Это предполагает миллиарды компонентов, которые должны иметь одинаковые электронные свойства. Чтобы контролировать молекулярную проводимость молекул, команда использовала уникальную стратегию синтеза с одним горшком, которая производила химически разнообразные, заряженные молекулы-лестницы. Традиционные методы синтеза используют дорогостоящие исходные материалы и обычно представляют собой двухкомпонентные реакции, что ограничивает разнообразие продуктов. При использовании так называемого модульного синтеза исходные материалы намного проще и коммерчески доступны. Исследователи применили правила, которые они узнали при изучении молекул лестничного типа, и продемонстрировали широкую применимость персистенции формы, спроектировав, синтезировав и охарактеризовав электронные свойства молекулы, похожей на бабочку. Эти молекулы имеют два «крыла» химических колец, и, как и молекулы-лестницы, молекулы-бабочки имеют заблокированную структуру позвоночника и ограниченное вращение. Это исследование откроет путь для разработки других функциональных материалов и, в конечном итоге, для более надежных и эффективных устройств.
