Исследователи IBM измеряют энергетические уровни отдельных молекул на изолирующих слоях с помощью АФМ

В прорыве, опубликованном сегодня в Nature Nanotechnology, ученые IBM впервые количественно определили энергетические уровни одиночной молекулы, размещенной на изолирующей поверхности. Эта веха приближает нас к практически реализуемым одиночнымолекулярным электронным устройствам.

Предыстория

С 1980-х годов атомно-силовая микроскопия (АФМ) позволила ученым детектировать силы порядка пиконьютонов между острым наконечником и образцом. В 2009 году IBM и соавторы продемонстрировали, что бесконтактная АФМ может определять зарядовое состояние отдельных атомов на поверхности. Развивая эту работу, текущее исследование расширяет технику до одиночных молекул на изолирующих слоях, преодолевая давнюю проблему в области.

Методология

Команда выросла ультратонкие многослойные пленки хлорида натрия (NaCl) — обычной соли — на металлическом субстрате. Эта архитектура изолирует молекулу от проводящего металла, позволяя ее зарядовому состоянию оставаться стабильным. Используя наконечник АФМ, исследователи прикладывали тонко настроенное напряжение, записывая минимальные силы, возникающие при туннелировании отдельных электронов между наконечником и молекулой.

Измеряя время, необходимое для перехода электрона на молекулу и с нее в обоих направлениях, ученые извлекли энергию, необходимую для каждого перехода зарядового состояния. Реорганизационная энергия — количество энергии, которое система должна затратить для приспособления к изменению заряда — была измерена впервые для одиночной молекулы в этой конфигурации.

Ключевые результаты

Исследование фокусировалось на одиночной молекуле нафталоцианина (NPc). Чувствительность АФМ по силе достигла режима зептоампер (10^–21 А), позволяя детектировать отдельный электрон каждые несколько секунд. Эта беспрецедентная чувствительность позволила команде определить энергетические уровни для процессов как добавления, так и удаления электрона — возможности, ранее отсутствовавшей в одиночномолекулярных исследованиях.

«Способность измерять энергетические уровни в обоих направлениях отсутствовала раньше», — сказал физик IBM Лео Gross. «Наш АФМ-метод теперь позволяет картографировать полный ландшафт зарядового состояния молекулы на изоляторе.

«Изменение атомных позиций, индуцируемое зарядкой, существенно меняет энергетические уровни, потенциально настраивая скорости электронного переноса на несколько порядков величины», — добавил Шади Фатайер, первый автор исследования.

Последствия

Эти выводы имеют широкие последствия для проектирования наномасштабных электронных компонентов, включая характеристику дефектов в полупроводниковых чипах, фотоэлектрические устройства и органические полупроводники. Понимая, как отдельные молекулы взаимодействуют с изолирующими средами, инженеры могут лучше предсказывать и контролировать зарядовый транспорт на предельном масштабе fabricación устройств.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1