22/06/2017
Door Ad Spijkers
Een internationaal team onder leiding van de Universität Bern en het National Physical Laboratory opent nieuwe wegen voor de volgende generatie nano-elektronische apparaten. Met grafeen kunnen nog kleinere en efficiëntere apparaten worden ontwikkeld.
Het onderzoeksgebied van de moleculaire nano-elektronica heeft tot doel afzonderlijke moleculen te gebruiken als bouwstenen voor elektronische apparaten, de functies daarvan te verbeteren en de ontwikkeling van kleinere maar nog controleerbare apparaten mogelijk te maken.
De belangrijkste hindernis, die tot nu toe concrete vooruitgang bemoeilijkte, bestond uit een falende stabiele verbinding tussen de moleculen en de gebruikte metalen bij kamertemperatuur. Grafeen heeft niet alleen een goede mechanische stabiliteit, maar ook uit een hoge elektronische en thermische geleidbaarheid. Hiermee is het tweedimensionale materiaal aantrekkelijk voor een veelheid aan mogelijke toepassingen in de moleculaire elektronica.
Doorbraak
Een onderzoeksteam van de Universität Bern, het National Physical Laboratory (NPL) en de Universiteit van Baskenland heeft, met behulp van onderzoekers van de Chuo University in Japan, een doorbraak gerealiseerd. Ze konden een ook bij kamertemperatuur stabiele verbinding tussen grafeen en afzonderlijke moleculen aantonen. Dit was met de tot nu toe standaard gebruikte metalen niet mogelijk en is daarom een belangrijke stap met betrekking tot de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde elektronische apparaten.
De aanhechting van specifieke moleculen op elektronische apparaten op basis van grafeen maakt het mogelijk de appraatfuncties aan te passen, hoofdzakelijk doordat de elektrische weerstand wordt veranderd. Een verband leggen tussen algemene apparaateigenschappen en de eigenschappen van afzonderlijk aangehechte moleculen is echter moeilijk. Dit komt door de elektrische weerstand aan het grafeenoppervlak niet overal even groot is en de gemiddelde waarde van deze verschillen niet doorgeeft.
Afzonderlijke moleculen meten
De wetenschappers in Bern hebben daarom de elektrische stroom door de afzonderlijk aangehechte moleculen gemeten. Ze gebruikten daarvoor een unieke, ruisarme techniek die het hen mogelijk maakte van molecuul tot molecuul afzonderlijke waarden te meten. Uitgaande van theoretische berekeningen konden ze aantonen dat de chemische contacten van een molecuul naar de grafeenlaag de functie van zulke elektronische apparaten bepalen.
De metingen tonen aan dat de voorkeursrichting van de elektrische stroom feitelijk kan worden veranderd als men het chemische contact van de afzonderlijke moleculen verandert. Met het zorgvuldig aanleggen van de respectievelijke chemische verbindingen van moleculen en op grafeen gebaseerde materialen kunnen de onderzoekers de functionaliteit van de nano-elektrische apparaten sturen.
Verdere stappen
De resultaten zijn een grote stap voorwaarts naar de praktische toepassing van elektronische nano-apparaten. De onderzoekers verwachten dat de techniek van het stabiele chemische contact een markante ommekeer in het onderzoeksgebied zal betekenen. De resultaten met de grafeen-molecuul-interfaces moeten onderzoekers ook helpen bij werk met energieomzetting en in het algemeen het rendement van elektronische nano-apparaten verbeteren.