18 maart 2013
Effect van beeldladingen op elektronentransport beter in kaart
Elektronentransport door een enkel molecuul biedt een veelbelovende nieuwe technologie voor het maken van elektronische chips. Het is echter moeilijk om een goed geleidende verbinding te maken tussen het molecuul en de metaalcontacten. Onderzoekers van de Stichting FOM, TU Delft en Universiteit Leiden ontdekten een effect dat hierbij een grote rol speelt: de zogeheten 'beeldladingen' in het metaal beïnvloeden het elektronentransport door het molecuul sterk. De moleculaire geleiding kan hierdoor met ordes van grootte variëren. FOM-werkgroepleiders prof.dr.ir. Herre van der Zant en prof.dr. Jan van Ruitenbeek publiceerden met hun team deze resultaten op 17 maart online in het toonaangevende tijdschrift Nature Nanotechnology.
afbeelding 1: Schematische weergave (boven) van een molecuul dat is bevestigd aan twee elektroden van goud (geel in het figuur). Elektronenmicroscopie opname (onder) van een breekjunctie. De gouden metaal strip wordt in het midden gebroken; in de gecreëerde opening wordt een molecuul geplaatst om te meten.
Moleculaire elektronica
Moleculen zijn heel klein, typisch ter grootte van enkele nanometers. Een enkele molecuul tussen twee elektroden zou als zeer gevoelige sensor of extreem kleine transistor gebruikt kunnen worden. Maar het probleem bij het ontwikkelen van deze ‘moleculaire elektronica’ is dat het moeilijk is om elektrisch contact te maken met een enkel molecuul. Met dit onderzoek is een beter begrip van het fundamentele fysische gedrag van enkele moleculen verkregen. Hiermee zijn ideeën opgedaan om beeldladingen te benutten in het realiseren van elektronische moleculaire componenten.
Oplijning energieniveaus
Beeldladingen treden op in een metaal door de nabijheid van een lading, zoals die op het enkele molecuul. De beeldladingen in het metaal beïnvloeden op hun beurt de energieniveaus van het molecuul. Het was al langer bekend dat beeldladingen zo een belangrijke rol spelen in ladingstransport door moleculen. De beeldladingen kunnen de oplijning van de moleculaire energieniveaus namelijk sterk verschuiven ten opzichte van de energieniveaus in het metaal. Zo zorgen zij voor betere of slechtere geleiding. De onderzoekers hebben nu dit effect voor het eerst systematisch in kaart gebracht voor een enkel molecuul.
Combinatie van expertises maakt meting mogelijk
Door hun unieke expertises te combineren konden de onderzoekers uit Delft en Leiden samen een nieuwe techniek ontwikkelen om de geleiding in het molecuul te meten. De methode is gebaseerd op de ‘mechanisch aangestuurde breekjunctie’ techniek, uitgevonden door Van Ruitenbeek. In Delft is de techniek uitgebreid door er een transistor van te maken. Deze techniek maakt het mogelijk om de afstand tussen de elektroden, en daarmee de nabijheid van het molecuul, te variëren en zo de beeldlading te beïnvloeden. Hierdoor kregen de onderzoekers een unieke mechanische en elektrische controle over de energie niveaus van het molecuul. Zo konden zij de rol van de beeldladingen experimenteel bepalen en kwantificeren.
