Ученые создали молекулярные цепочки для электроники нового поколения
Речь идет о нанолентах — вытянутых молекулярных структурах, состоящих из точно выстроенных звеньев.
Источник: James Lawrence. Фотографическое и схематическое изображение ряда нанолент
МОСКВА, 24 апреля. /Новости науки/. Международная группа исследователей разработала способ собирать сверхмалые электронные элементы из цепочек отдельных молекул. Ученые научились создавать так называемые наноленты с заранее заданными электронными свойствами, что может помочь в разработке гибкой электроники, миниатюрных датчиков, новых солнечных батарей и биосовместимых имплантов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Речь идет о нанолентах — вытянутых молекулярных структурах, состоящих из точно выстроенных звеньев. В отличие от обычных материалов, здесь исследователи могут контролировать буквально последовательность отдельных молекулярных блоков и за счет этого менять электронные свойства будущего материала.
По словам авторов, это первый случай, когда такие атомарно точные наноленты удалось построить путем прямого сочетания молекул-доноров и молекул-акцепторов. Доноры легче отдают электроны, а акцепторы, наоборот, принимают их. Именно чередование таких звеньев позволяет тонко настраивать поведение материала.
Для работы исследователи использовали подход, давно известный в химии высокоэффективных пластиков для электроники, но теперь впервые применили его к созданию сверхузких нанолент на поверхности металла. Сначала ученые синтезировали два специальных типа молекул — донорную и акцепторную. Затем поместили их на золотую поверхность в вакууме и нагрели. В таких условиях молекулы теряли атомы брома и самопроизвольно соединялись в цепочки.
В результате удалось получить сразу несколько типов нанолент: только из доноров, только из акцепторов и смешанные, где оба типа звеньев чередовались.
Чтобы проверить, что именно получилось, ученые использовали очень точные микроскопы, способные видеть отдельные молекулы, атомы и даже химические связи между ними. Это позволило не только рассмотреть форму нанолент, но и заметить мельчайшие дефекты, а также измерить, как внутри них ведут себя электроны.
Исследователи обнаружили, что свойства нанолент сильно зависят от их состава и длины. Более длинные ленты, состоящие только из донорных молекул, лучше отдавали электроны. Более длинные акцепторные, наоборот, сильнее их притягивали. А в смешанных структурах все определялось точной последовательностью донорных и акцепторных звеньев.
Именно это и делает новую технологию особенно перспективной. Она позволяет не просто получать наноматериал, а буквально «собирать» его нужные свойства заранее — под конкретную задачу.
Сейчас подобные наноленты рассматриваются как возможная основа для целого ряда будущих технологий. Среди них — гибкая органическая электроника, которую можно будет печатать или даже наносить на поверхность почти как краску, сверхмалые схемы для устройств интернета вещей, биоэлектроника для медицинских имплантов, новые сенсоры, более эффективные солнечные элементы и даже квантовая электроника.
Авторы отмечают, что раньше подобные наноленты часто делали из графена. Но у графена есть ограничение: сам по себе он не является удобным полупроводником, если только специально не менять его форму или состав. Даже после этого точно управлять его электрическими свойствами было сложно. Новый подход дает гораздо более тонкий контроль.
Следующим этапом исследователи называют создание материалов с заранее заданными характеристиками уже под конкретные приложения — в органической электронике, биомедицине и фотовольтаике.
Таким образом, ученые получили новый «конструктор» для сборки электронных материалов на атомном уровне. И это может стать важным шагом к электронике, где нужные свойства будут задаваться не после изготовления, а прямо в процессе проектирования молекулярной структуры.
Речь идет о нанолентах — вытянутых молекулярных структурах, состоящих из точно выстроенных звеньев. В отличие от обычных материалов, здесь исследователи могут контролировать буквально последовательность отдельных молекулярных блоков и за счет этого менять электронные свойства будущего материала.
По словам авторов, это первый случай, когда такие атомарно точные наноленты удалось построить путем прямого сочетания молекул-доноров и молекул-акцепторов. Доноры легче отдают электроны, а акцепторы, наоборот, принимают их. Именно чередование таких звеньев позволяет тонко настраивать поведение материала.
Для работы исследователи использовали подход, давно известный в химии высокоэффективных пластиков для электроники, но теперь впервые применили его к созданию сверхузких нанолент на поверхности металла. Сначала ученые синтезировали два специальных типа молекул — донорную и акцепторную. Затем поместили их на золотую поверхность в вакууме и нагрели. В таких условиях молекулы теряли атомы брома и самопроизвольно соединялись в цепочки.
В результате удалось получить сразу несколько типов нанолент: только из доноров, только из акцепторов и смешанные, где оба типа звеньев чередовались.
Чтобы проверить, что именно получилось, ученые использовали очень точные микроскопы, способные видеть отдельные молекулы, атомы и даже химические связи между ними. Это позволило не только рассмотреть форму нанолент, но и заметить мельчайшие дефекты, а также измерить, как внутри них ведут себя электроны.
Исследователи обнаружили, что свойства нанолент сильно зависят от их состава и длины. Более длинные ленты, состоящие только из донорных молекул, лучше отдавали электроны. Более длинные акцепторные, наоборот, сильнее их притягивали. А в смешанных структурах все определялось точной последовательностью донорных и акцепторных звеньев.
Именно это и делает новую технологию особенно перспективной. Она позволяет не просто получать наноматериал, а буквально «собирать» его нужные свойства заранее — под конкретную задачу.
Сейчас подобные наноленты рассматриваются как возможная основа для целого ряда будущих технологий. Среди них — гибкая органическая электроника, которую можно будет печатать или даже наносить на поверхность почти как краску, сверхмалые схемы для устройств интернета вещей, биоэлектроника для медицинских имплантов, новые сенсоры, более эффективные солнечные элементы и даже квантовая электроника.
Авторы отмечают, что раньше подобные наноленты часто делали из графена. Но у графена есть ограничение: сам по себе он не является удобным полупроводником, если только специально не менять его форму или состав. Даже после этого точно управлять его электрическими свойствами было сложно. Новый подход дает гораздо более тонкий контроль.
Следующим этапом исследователи называют создание материалов с заранее заданными характеристиками уже под конкретные приложения — в органической электронике, биомедицине и фотовольтаике.
Таким образом, ученые получили новый «конструктор» для сборки электронных материалов на атомном уровне. И это может стать важным шагом к электронике, где нужные свойства будут задаваться не после изготовления, а прямо в процессе проектирования молекулярной структуры.
