Je leest:

Waarom elektrisch contact op nanoschaal zo lastig is

Waarom elektrisch contact op nanoschaal zo lastig is

Onderzoek uit Leiden en Delft krijgt mogelijk toepassing in nieuwe generaties beeldschermen

Auteur: | 27 maart 2013

De nanowereld zit vol met onverwachte problemen. Bijvoorbeeld bij het elektrische contact tussen een enkel molecuul en een metalen contactpunt. Dankzij een nieuwe meetmethode begrijpen wetenschappers van de universiteiten van Delft en Leiden nu waarom dat heel lastig kan zijn. Hun onderzoek, vorige week gepubliceerd in Nature Nanotechnology, brengt moleculaire elektronica een stapje dichterbij.

Profiteren van de eigenschappen van individuele, afzonderlijke moleculen is één van de verbluffende mogelijkheden van nanotechnologie. Maar de wereld van het allerkleinste laat zich niet zo makkelijk naar onze hand zetten. In het nano-universum heersen opmerkelijke effecten.

Neem zoiets simpels als het realiseren van elektrisch contact. Om de elektronische eigenschappen van een molecuul te benutten – bijvoorbeeld voor gebruik als sensor – moet het onderdeel zijn van een elektrisch systeem. In de macrowereld is dat eenvoudig: pak de soldeerbout, smelt de onderdelen aan elkaar en de elektrische verbinding is een feit.

Artistieke weergave van een molecuul (een zink-porfyrine pigment) tussen twee elektroden van goud (geel). Zo’n molecuul, slechts enkele nanometers groot, kan dienst doen als zeer gevoelige sensor, of extreem kleine transistor. Het probleem met dergelijke moleculaire elektronica is de elektrische geleiding (de overdracht van elektronen) tussen de gouden elektroden en het molecuul.

Maar als het om individuele moleculen gaat blijkt zo’n elektrische verbinding een stuk lastiger te realiseren. Om te beginnen houdt je niet zomaar even een soldeerbout tegen een molecuul. En als het contact dan eenmaal is gemaakt, dan kan de elektrische geleiding nog wel eens tegenvallen. Wederzijdse beïnvloeding tussen molecuul en contactmetaal blijkt dan roet in het eten te gooien.

Enorme precisie

Onderzoekers uit Delft en Leiden hebben het afgelopen jaar met enorme precisie onderzoek gedaan naar de manier waarop molecuul en metaal in deze situatie elektronisch verbonden zijn. Ze ontwikkelden een methode om de afstand tussen het molecuul en de elektroden met fracties van een nanometer te variëren. Vervolgens bepaalden ze het effect van die afstand op de elektronische eigenschappen van het molecuul.

Zo brachten ze – als eersten – systematisch de factoren in kaart die van belang zijn bij de elektrische verbinding tussen componenten op nano-niveau. En hoe je die kunt optimaliseren.

Opname met de elektronenmicroscoop (ingekleurd) van het meetinstrument (de zogenaamde ‘breekjunctie’). Ter illustratie is bovenin de opname de impressie van het molecuul toegevoegd. In het midden, bij de pijl, is te zien hoe een gouden metaalstrip (liggend bovenop een lichtblauwe laag aluminiumoxide) is gebroken. In de opening die zo ontstaat wordt het molecuul ‘gevangen’, waarna de breukafstand met tienden van een nanometer is te variëren.

Beeldscherm

De Leidse hoogleraar Jan van Ruitenbeek, die samen zijn Delftse collega’s Herre van der Zant en Diana Dulic het onderzoek leidde, stelt dat de toepassing van moleculaire elektronische schakelingen hiermee weer een stap dichterbij is gekomen. “Ons onderzoek heeft een beter begrip opgeleverd van het fundamentele fysische gedrag van individuele moleculen. Het heeft al een aantal ideeën opgeleverd voor het realiseren van elektronische moleculaire schakelingen,” aldus van Ruitenbeek.

Jan van Ruitenbeek is hoogleraar Experimentele Nanofysica bij de Universiteit Leiden.

De hoogleraar verwacht de eerste toepassingen in grote oppervlakken, bijvoorbeeld voor beeldschermen. Een elektronische moleculaire laag is relatief eenvoudig en goedkoop aan te brengen, zodat de productie van een scherm eenvoudiger en dus goedkoper wordt dan met bestaande LCD of LED-technologie.

Maar zover is het nog niet: “De echte uitdaging is nu om een molecuul te ontwerpen dat zich kan gedragen als schakelaar of als diode, met een voldoende groot verschil in geleiding tussen de ‘aan’ en ‘uit’-toestand.”

Moleculaire energieniveaus

In de wetenschappelijke publicatie, vorige week in het tijdschrift Nature Nanotechnology, ligt de nadruk op zogenaamde ‘beeldladingen’. Dat zijn ladingseffecten in de tip van de gouden elektroden, geïnduceerd door de lading van het molecuul zelf. De beeldladingen in het metaal beïnvloeden op hun beurt weer de energieniveaus van het molecuul.

Het was al langer bekend dat zulke beeldladingen een belangrijke rol spelen in de elektronenoverdracht naar moleculen. Door de onderlinge interactie tussen beeldlading en moleculaire lading verschuiven de moleculaire energieniveaus ten opzichte van de energieniveaus in het metaal. Dat kan een verslechtering in de geleiding tot gevolg hebben (als de niveau’s van molecuul en metaal niet op elkaar aansluiten), maar ook een verbetering (als de energieniveaus juist wél goed aansluiten).

Hier zie je het resultaat van computersimulaties aan de moleculaire energieniveau’s van het molecuul tussen de elektroden. In de blauw-rode plaatjes zijn verschillende elektronengolven gevisualiseerd, elk met hun eigen energieniveau. In de grafiek in het midden zijn die energieniveau’s weergegeven ten opzicht van de energie in het elektrodemetaal – de dikke zwarte streep. Goede geleiding vereist een elektronengolf die zich van links naar rechts over het hele molecuul uitstrekt, met een energiewaarde vlak bij de zwarte streep.

Door in een project van de Stichting FOM hun expertises te combineren konden de onderzoekers uit Delft en Leiden hier in detail naar ‘kijken’. Ze ontwikkelden een nieuwe techniek om geleiding in een molecuul te meten, gebaseerd op de mechanisch aangestuurde breekjunctie-techniek ontwikkeld door Van Ruitenbeek. Een kleine vrijhangende brug in een metalen geleider wordt daarbij onder mechanische druk gezet, waardoor hij doorbuigt en breekt. Het molecuul hecht zich vervolgens aan de twee schone breukvlakken.

De Delftenaren breidden de techniek uit door van het geheel een transistor te maken. Dat maakt het mogelijk om de afstand tussen de elektroden – en daarmee de nabijheid van het molecuul – te variëren en zo de beeldlading te beïnvloeden. Hierdoor kregen de onderzoekers unieke mechanische en elektrische controle over de energieniveaus van het molecuul. Zo konden zij de rol van de beeldladingen experimenteel bepalen en in getallen uitdrukken.

Publicatie:

  • Mickael L. Perrin, Christopher J. O. Verzijl, Christian A. Martin, Ahson J. Shaikh, Rienk Eelkema, Jan H. van Esch, Jan M. van Ruitenbeek, Joseph M. Thijssen, Herre S. J. van der Zant and Diana Dulić, Large tunable image-charge effects in single-molecule junctions , Nature Nanotechnology (2013), doi:10.1038/nnano.2013.26
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 maart 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.