Vyhlazení způsobu přenosu informací v malých obvodech

Jednorozměrný STEM (rastrovací elektronový mikroskop) obraz molekul F4TCNQ (žlutooranžový) na grafenovém zařízení řízeném bránou. Půjčka: Berkeley Laboratory

Odstranění jedné nabité molekuly z jednorozměrné hmoty způsobí, že ostatní se střídavě „spojí“ nebo „odpojí“, což připravuje cestu pro přenos informací v malých obvodech.

Malé elektronické obvody napájí náš každodenní život, od malých fotoaparátů v našich telefonech až po mikroprocesory v našich počítačích. Aby byla tato zařízení ještě menší, vědci a inženýři navrhují součásti obvodu z jedné molekuly. Nejen, že miniaturizované obvody mohou nabídnout zvýšení hustoty, rychlosti nebo energetické účinnosti zařízení, například ve flexibilní elektronice nebo ukládání dat, ale použití fyzikálních vlastností konkrétních molekul by mohlo vést k zařízením s jedinečnou funkčností. Vývoj praktických nanoelektronických zařízení z jednotlivých molekul však vyžaduje přesnou kontrolu nad elektronickým chováním těchto molekul – spolehlivou metodou, kterou jsou falšovány.

Nyní, jak je uvedeno v časopise Přírodní elektronikaVědci vyvinuli metodu pro vytváření jednotné hmotnosti jednotlivých molekul pro přesné řízení její elektronické struktury. Důkladná regulace napětí přiváděného do řetězce molekul zcela uložených v uhlíku (grafenTým vedený vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) zjistil, že dokáže monitorovat, zda jsou všechny, žádná nebo některé z molekul elektricky nabité. Výsledný vzor náboje lze přesouvat po řetězci manipulací s jednotlivými molekulami na konci řetězce.

„Pokud se chystáte stavět elektrická zařízení z oddělených molekul, potřebujete molekuly, které mají užitečnou funkci; musíte přijít na to, jak je uspořádat do užitečných buněk. Tím jsme dosáhli obou, “řekl Michael Crom, vedoucí pracovník v materiálových vědách v Berkeley Labs. Tato studie je součástí vědeckého úřadu amerického ministerstva energetiky (DOE), který se zaměřuje na porozumění elektrickým “mechanickým vlastnostem” molekulárních nanočástic a na vytvoření nanomachin na základě nových molekul. přeměnu energie z jednoho vejce na druhé v nanoměřítku.

Hlavním rysem molekuly bohaté na fluoridy vybrané týmem Berkeley je její silná tendence přijímat elektrony. Chrom, profesor fyziky z Berkeley, a jeho kolegové umístili pod grafen kovovou elektrodu, která řídila elektronové vlastnosti řetězce 15 takových molekul přesně zarovnaných s grafenem, který se také rozdělil na tenkou izolační vrstvu. Působení napětí mezi elektrodami molekul Elektrony vstupují nebo opouštějí molekuly. Tímto způsobem se molekuly podporující grafen chovají poněkud jako kondenzátor, elektrická součást používaná v řetězci k zadržování nebo uvolňování náboje. Ale na rozdíl od „normálního“ makroskopického kondenzátoru mohli vědci regulovat napětí vnitřní elektrody a kontrolovat, které molekuly jsou nabité a které neutrální.

Molekulární řetězec

Jednorozměrná hmotnost molekul se změní z elektricky nabitého (modrá tečka) na neutrální (prázdná tečka), když se počet lichých molekul odečte od konce vzoru. To způsobí, že se elektron přesune na druhou poslední molekulu, což způsobí, že ostatní molekuly změní svůj stav náboje, čímž se změní vzor náboje. Půjčka: Berkeley Laboratory

V předchozích studiích molekulárních sestav nemohly existovat elektronické vlastnosti molekul oba dva regulovaný և je zobrazen na stupnici atomové délky. Je nemožné plně porozumět vztahu mezi strukturou a funkcí v kontextu elektrických zařízení bez nutnosti dalšího zobrazování. Umístěním molekul na speciálně navržený vzorek na bázi grafenu vyvinutý v Berkeley Lab Molecular Foundry pomocí nanomateriálové vědy se Crom a jeho kolegové ujistili, že molekuly jsou plně přístupné jak pro mikroskopické pozorování, tak pro elektrickou manipulaci.

Jak se dalo očekávat, aplikace silného kladného napětí na kovovou elektrodu pod grafenem podporující molekuly je naplnila elektrony, takže celá molekulová hmota byla v negativně nabitém stavu. Odstranění nebo obrácení tohoto napětí způsobilo, že všechny přidané elektrony opustily molekuly a vrátily celou hmotu do neutrálního stavu náboje. Při středním napětí však elektrony zaplňují pouze každou druhou molekulu v hmotě a vytvářejí nábojovou desku. Chrome a jeho tým vysvětlují toto nové chování tím, že se elektrony navzájem odpuzují. Pokud dvě nabité molekuly na chvíli obsadily sousední oblasti, jejich odpuzování by vytlačilo jeden z elektronů pryč a nutilo jej, aby se vzdálil od molekulární řady.

„Můžeme vyprázdnit všechny molekuly, ať už úplně nebo úplně. Říkáme tomu kolektivní vzor náboje, protože je určen odpuzováním elektronů elektrony v celé struktuře, “řekl Cromin.

Výpočty naznačují, že konečná molekula hmotnosti v molekule s proměnným nábojem by měla vždy obsahovat jeden elektron navíc, protože tato molekula nemá druhou příčinu k odpuzování. Aby experimentoval s tímto typem chování, tým Berkeley odstranil finální molekulu ze sady molekul, které měly variabilní náboje. Zjistili, že původní vzor náboje byl změněn jedinou molekulou. Zpoplatněné weby se staly neutrální, naopak. Vědci dospěli k závěru, že před odstraněním nabité koncové molekuly musí být sousední molekula neutrální. Na konci paprsku byla poté nová druhá molekula nabita do své nové polohy. Aby se zachoval variabilní vzorec mezi nabitými a nenabitými molekulami, musel být celý vzorek náboje transportován jedinou molekulou.

Pokud je náboj na každé molekule vnímán jako malé množství informací, odstranění výsledné molekuly má za následek přesun celého vzorku informací na jedno místo. Toto chování napodobuje záznam elektronických posunů v digitálním obvodu a poskytuje nové příležitosti k přenosu informací z jedné oblasti molekulárního zařízení do druhé. Přesunutí molekuly na jeden konec molekuly může sloužit jako zapnutí nebo vypnutí někde v zařízení, které poskytuje užitečnou funkci pro budoucí logický obvod.

„Jedna věc, která nás na tomto výsledku opravdu zajímala, byla skutečnost, že jsme byli schopni změnit elektronový náboj, tedy vlastnosti molekul z velké vzdálenosti. „Ta úroveň kontroly je něco nového.“

Vědci pomocí své molekulární hmotnosti dosáhli cíle vytvořit strukturu, která má velmi jedinečnou funkčnost. to je struktura, jejíž molekulární náboje lze dobře regulovat mezi různými možnými stavy pomocí napětí. Změna náboje molekul způsobí jejich elektronické chování և, což má za následek změnu funkčnosti celého zařízení. Tato práce byla výsledkem snahy DOE vybudovat přesné molekulární nanoprocesory s dobře definovanou elektromechanickou funkčností.

Techniky řízení molekulárního náboje týmu Berkeley Lab by mohly vést k novým návrhům elektronických součástek nanomasy, včetně tranzistorů a logických hradel. Tuto techniku ​​lze také zobecnit na jiné materiály a začlenit ji do složitějších molekulárních sítí. Jednou z možností je přizpůsobit molekuly tak, aby vytvářely složitější vzorce náboje. Například nahrazení jednoho atom může změnit vlastnosti molekuly s jinou molekulou. Umístění takto upravených molekul v algebře může vytvořit novou funkčnost. Na základě těchto výsledků vědci plánují studovat funkčnost, která je výsledkem nových variací molekulových hmot, a také to, jak byly potenciálně použity jako komponenty s malým řetězcem. Nakonec plánují začlenit tyto struktury do praktičtějších zařízení v nanoměřítku.

Odkaz. «Hsin-Zon Tsai, Johannes Lischner, Arash A. Omrani, Franklin Liou, Andrew S. Aikawa, Christoph Karrasch, Sebastian Wickenburg, Alexander, Alexander Riss, Kyler C. Natividad, Jin Chen, Won-Woo Choi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Chenliang Su, Steven G. Louie, Alex Zettl, Jiong Lu a Michael F. Crommie, 28. září 2020, Přírodní elektronika,
DOI: 10.1038 / s41928-020-00479-4:

Molekulární slévárna je uživatelským zařízením Úřadu pro vědu DOE v laboratoři Berkeley.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Proč jsou metody distribuce vakcín COVID-19 krátké + 3 způsoby, jak je vylepšit

Objevilo se několik návrhů, jak distribuovat COVID-19 vakcíny, ale nezajistí spravedlivé rozdělení vakcíny. Tým, který zahrnuje Nicole Hassoun, profesorku na Binghamton University, navrhuje...

Obstrukční spánková apnoe je běžná u lidí s kognitivními poruchami – je léčitelná

Léčitelná porucha spánku, která je běžná u lidí s poruchami myšlení a paměti. K obstrukční spánkové apnoe dochází, když je během spánku dýchání opakovaně přerušováno....

Kvantové tunelování v grafenu posouvá éru vysokorychlostní bezdrátové komunikace Terahertz

Kvantové tunelování. Půjčka: Tisková kancelář Daria Sokol / MIPT Vědci z MIPT, Moskevské státní pedagogické univerzity a univerzity v Manchesteru vyvinuli velmi citlivý terahertzový...

Využití vibračních molekul ke studiu vlnových vlastností hmoty

Molekulární ionty HD + (páry žlutých a červených bodů) v iontové pasti (šedé) jsou ozářeny laserovou vlnou (červená). To vede k kvantovým skokům,...

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Newsletter

Subscribe to stay updated.