В поисках электронных компонентов из одной молекулы

Ученый НИЯУ МИФИ в составе международного научного коллектива исследовал вольтамперные характеристики органического нанослоя, содержащего ионы рутения. Ожидается, что исследования в этой сфере помогут создать компоненты для производства электроники размером с молекулу, что в будущем позволит значительно увеличить производительность компьютеров. Результаты опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Nano Letters.

Рутений

В последние десятилетия электронные устройства становятся все меньше и меньше, и сегодня ученые научились оперировать устройствами, состоящими буквально из одной или нескольких молекул. Но на таких масштабах начинают проявляться законы квантовой механики, несущественные для устройств большего размера, отметил соавтор исследования, профессор НИЯУ МИФИ Константин Катин.

«Например, электрон может туннелировать через молекулу, если его энергия попадает в резонанс с одним из молекулярных уровней. Это приводит к нелинейному виду вольтамперных характеристик молекул и открывает широкий простор для конструирования молекул с подходящими электрическими свойствами, являющихся, например, нанотранзисторами или нановыпрямителями тока», - рассказал он.

Исследователи пропускали ток через нанослой, зажатый между двумя контактами – оксидом индия-олова и алюминия. Нанослой состоял из молекул Ru(Phen)₃, представляющих собой ион рутения (II), окруженный тремя органическими молекулами фенантролина. Толщина слоя варьировалась от 4 до 16 нм, что соответствует всего нескольким молекулам. Протекание тока поперек слоя было обусловлено не только туннелированием электронов, но и прыжковой проводимостью, отмечают ученые.

Константин Катин

«Ионы рутения похожи на островки в море органического материала, непроходимого для электронов. Эти ионы могут восстанавливаться и снова окисляться, временно принимая электроны, переправляющиеся через плохо проводящий органический материал с одного контакта на другой. Дополнительная сложность исследования была связана с тем, что молекулы меняют свои свойства при соединении с контактом: их молекулярные уровни расщепляются, что сильно сказывается на проводимости», - пояснил Константин Катин.

Так как изучаемая молекула была симметричной, ее вольтамперная характеристика получилась почти одинаковой для положительных и отрицательных напряжений, отметили исследователи.

В будущем авторы планируют рассмотреть несимметричную молекулу, в которой металлический «островок» сильно смещен к одному из контактов. От такой молекулы ученые ожидают сильных выпрямляющих свойств – она может работать в качестве миниатюрного диода.

«Через 10-15 лет большинство используемых электронных компонентов могут стать размером с молекулу. Это даст огромный прирост в производительности компьютеров и сильно снизит их энергопотребление. После этого дальше миниатюризировать электронику уже не получится, так что придется искать принципиально новые пути для ее развития», – заключил Константин Катин.

Два контакта из оксида индия-олова (слева) и алюминия (справа), соединенные «мостиком» из исследуемых молекул (посередине).