В лаборатории IBM получен молекулярный переключатель

Такие переключатели должны управлять протеканием тока, что требует некоего изменения конфигурации используемой молекулы. Ранее физики уже пытались реализовать эту идею, контролируя образование и разрыв одной химической связи, но устройства получались неудобными и ненадёжными.

Предложенный IBM вариант переключателя построен на базе органической молекулы PTCDA (перилен-3,4,9,10-тетракарбоксильный диангидрид). PTCDA и атомы золота размещались на тонкой плёнке хлорида натрия, покрывавшей медную поверхность, после чего учёные с помощью сканирующего туннельного микроскопа подводили один атом золота, который становился отрицательно заряженным ионом, к отрицательно заряженной молекуле. При подаче отрицательного напряжения на иглу микроскопа молекула временно становилась нейтральной, что влияло на взаимодействие иона золота с нею и создавало условия для образования ковалентной связи. Новая связь, в свою очередь, изменяла электронную структуру молекулы, и туннельный ток возрастал. Переключатель, таким образом, находился в положении «включено».

При изменении полярности приложенного напряжения молекула PTCDA приобретала дополнительный электрон, ион золота отталкивался от неё, ток спадал, и переключатель оказывался в положении «выключено».

Рис. 1. Игла микроскопа (показана в виде пирамиды), молекула PTCDA (белые, серые и красные сферы) и расположенный рядом атом золота (иллюстрация F. Mohn / IBM Research-Zurich).

Авторы также изучили PTCDA под атомно-силовым микроскопом и сравнили полученные изображения с результатами расчётов в рамках теории функционала плотности. Выяснилось, что в положении «включено» пять углеродных «колец» молекулы PTCDA, которые ранее находились в одной плоскости, приподнимаются, принимая форму купола, а атом золота, образуя связь, вдвигается в центральную область. При переключении молекула вновь выравнивается, и атом выталкивается.

Сотрудник Северо-Западного университета Марк Ратнер (Mark Ratner) считает основными преимуществами швейцарской разработки скорость и надёжность переключения.
«Конечно, до создания полноценного набора элементов молекулярной электроники нам ещё далеко, но за одномолекулярный переключатель теперь можно не беспокоиться», — замечает исследователь.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Physical Review Letters.

Источник