Молекулярная проводимость

Молекулярная проводимость ( $G=I/V$), или проводимость отдельной молекулы , является физической величиной в молекулярной электронике . Молекулярная проводимость зависит от окружающих условий (например, pH , температуры, давления), а также свойств измерительного устройства. Многие экспериментальные методы были разработаны в попытке напрямую измерить эту величину, но теоретики и экспериментаторы все еще сталкиваются со многими проблемами.

В последнее время достигнут большой прогресс в разработке надежных методов измерения проводимости. Эти методы можно разделить на две категории: эксперименты с молекулярными пленками, в которых измеряются группы из десятков молекул, и эксперименты по измерению отдельных молекул.

Молекулярные пленочные эксперименты

Эксперименты с молекулярной пленкой обычно состоят из помещения тонкого слоя молекул между двумя электродами, которые используются для измерения проводимости через слой. Двумя наиболее успешными реализациями этой концепции стали подход объемных электродов и использование наноэлектродов. При использовании объемного электрода молекулярная пленка обычно иммобилизуется на одном электроде, а верхний электрод приводится в контакт с ним, что позволяет измерить ток в зависимости от приложенного напряжения смещения . В экспериментах класса наноэлектродов при творческом использовании такого оборудования, как наконечники атомно-силовых микроскопов и провода малого радиуса, можно выполнять те же виды измерений тока в сравнении с приложенным смещением, но на гораздо меньшем количестве молекул по сравнению с объемным электродом. Например, кончик атомно-силового микроскопа можно использовать в качестве верхнего электрода, и, учитывая наноразмерный радиус кривизны кончика, количество измеряемых молекул резко сокращается. Трудности, возникшие в этих экспериментах, возникли главным образом при работе с такими тонкими слоями молекул, что часто приводит к проблемам с коротким замыканием электродов.

Измерение одной молекулы

Молекула, ковалентно связанная с двумя электродами.

Совсем недавно были разработаны эксперименты по измерению одиночных молекул , которые позволяют экспериментаторам лучше взглянуть на молекулярную проводимость. Они подпадают под категории сканирующих зондов, в которых используется фиксированный электрод, и методы механического формирования соединения. Один из примеров эксперимента с механически сформированным соединением включает использование подвижного электрода для контакта с поверхностью электрода, покрытой одним слоем молекул, а затем отрыва от нее. Когда электрод удаляется от поверхности, молекулы, которые были связаны между двумя электродами, начинают отделяться, пока в конечном итоге не соединится одна молекула. Геометрия контакта кончика электрода на атомном уровне влияет на проводимость и может меняться от одного эксперимента к другому, поэтому требуется гистограммный подход. Формирование соединения, в котором известна точная геометрия контакта, было одной из основных трудностей при использовании этого подхода.

Приложения

Важным первым шагом на пути к созданию электронных устройств на молекулярном уровне является способность измерять и контролировать электрический ток через отдельную молекулу. Учитывая ожидаемое продолжение действия закона Мура , который, как ожидается, приведет к миниатюризации транзисторов в интегральных схемах до атомного масштаба в течение следующих 10–20 лет, эта цель проектирования схем на уровне одной молекулы, вероятно, получит широкое распространение во всем мире. полупроводниковая промышленность.

Другие приложения сосредоточены на знаниях, полученных в результате этих экспериментов в области переноса заряда, который является повторяющимся явлением во многих химических и биологических процессах. Такое понимание дает исследователям возможность считывать химическую информацию, хранящуюся в одной молекуле, в электронном виде, которую затем можно использовать в самых разных химических и биосенсорных приложениях.