IBMの科学者は、絶縁体上の単一分子のエネルギーレベルを測定します
Shadi Fatayer 、IBM Researchのプレドクであり、論文の筆頭著者
単一分子電子機器についての私たちの理解はより明確になり、その答えは一般的な家庭用品である塩の使用に関係しています。
IBMの科学者と共同研究者が非接触原子間力顕微鏡（AFM）を使用して個々の原子の電荷状態を測定する能力を実証した、2009年の以前の論文に基づいて、彼らはさらに一歩進んで、単一分子のエネルギーレベルを測定しました。初めての絶縁体。この研究は本日、査読ジャーナル Nature Nanotechnology に掲載されています。 。
1980年代半ばに発明された原子間力顕微鏡は、サポート上の分子など、チップとサンプルの間の小さな力を測定します。先端は多目的で正確な機器であり、前例のない解像度で分子を画像化し、これまでに見たことのない分子反応を引き起こすことさえできます。
電子機器のスケーリング
密度汎関数NaCl（5ML）上のナフタロシアニンの理論分析。分子geo + geo +平面から真空領域に向かって外側に統合されたNPc +とNPc0の間の計算された電荷密度差の2D等高線図。 （クレジット：Nature Nanotechnology）
PCやデジタル目覚まし時計など、あらゆる種類の電子機器をひび割れたことがあれば、プリント回路基板（PCB）と呼ばれるものを発見したことでしょう。これらの通常は緑色のボードは、導電性トラックと呼ばれるものを含む、デバイスのすべての電子コンポーネントを示すマップのように見えます。これらのトラックは、鉄道のトラックのように、ボード全体に電流を流して、デバイスが動作できるようにします。ボードには、電流漏れからトラックを保護する絶縁層も含まれています。これらの層がなければ、小さな電子機器でさえ、動作するためにより多くのエネルギーを必要とします。
同じPCまたは時計の基本的な構成要素を評価する場合、分子エレクトロニクスでは、伝導トラックおよび単一電子が分子から転送されるのと同様の単一分子のセットアップが見られます。絶縁層はPCBで役立ちますが、このスケールでの同様の基礎となる絶縁基板には、考慮する必要のあるさらなる効果があります。
「絶縁体上で分子を帯電させている間、分子内の原子はこの追加の電荷を収容する方向に緩和し、同様に重要なこととして、絶縁体内の核も緩和します。分子は絶縁体の上にあるため、このようなシステムの電子的特性評価は非常に困難です。」 IBMResearchのプレドクで論文の筆頭著者であるShadiFatayerは述べています。
彼はさらに、「原子の位置のこの変化はそれらのエネルギー準位に影響を与え、分子間で単一電子を移動させるという点で劇的な効果をもたらします。電子の移動速度は、数桁変化するように調整できます。」
IBM、リバプール大学、チャルマース大学、レーゲンスブルク大学の科学者チームは、この問題に取り組むために別のアプローチを試みました。
彼らは最初に、金属基板の上に、絶縁材料として機能する塩化ナトリウムまたは塩としても知られるNaClの多層を成長させました。このようなシステムにより、上部に吸収された分子の電荷状態が安定し、金属表面から分離されます。
次に、チームは「再編成のエネルギーをどのように測定するのか」と考えました。実験的には、溶液中の分子を使用し、金属の上に分子を配置しますが、これまで、絶縁体の上にある個々の分子を調査できる手法はありませんでした。
彼らのユニークなアプローチは、AFMと単一電子を採用することにあります。単一電子は、2つの定義された電荷状態の両方向の電荷状態遷移をプローブするために使用されます。実験では、科学者は単一のナフタロシアニン分子でメソッドをテストします。
IBMの研究者Shadi Fatayer、Leo Gross、GerhardMeyerがラボにいます。
以前に公開されたように、著者は、AFMを使用して、単一電子感度を備えた極薄の絶縁体上でさまざまな電荷状態を確実に測定できることを知っていました。彼らはまた、最近、安定して帯電した分子のイメージングと、より厚い絶縁体の上の分子間での単一電子の移動を実証しました。ただし、再編成エネルギーを測定するには、特定の電荷状態遷移に対応するエネルギーレベルを測定する必要があります。
「この作業の前に、私たちは分子を流れる電流を測定する方法を知っていました。ただし、これは特定の軌道に対して一方向にしか機能しませんでした。電子を特定の軌道に付着させるためのエネルギーを測定できた場合、その軌道から1つの電子を除去するためのエネルギーを測定することはできません。その逆も同様です。両方向で測定する機能–これは欠けていました」とIBMの物理学者LeoGrossは述べています。 「私たちのAFM法では、薄膜基板上の両方の電荷状態変化方向のエネルギーレベルを測定します。しかし、非常に弱い信号を処理するのは非常に要求の厳しい作業です。つまり、適切な統計分析を実行するには、多くの注意深い測定が必要です。」
彼は次のように付け加えています。「この新しい方法論を使用して、チップとチップにかかる力を使用して単一電子をカウントします。チップの高さと電圧を調整してから、1つの電子がチップに（またはチップから）移動するのにかかる時間をカウントします。これからエネルギーレベルを取得できます。」
「私たちの最大の課題は、トンネリングイベントを適切に測定するためにチップが通常よりも遠くにあることでした」とFatayer氏は付け加えます。 「私たちが測定した非常に弱い力は、ゼプトアンペアスケールの電流に関連しています。これは、10からマイナス21（10 - ）です。 21 ）。ほとんどの物理学者はこの接頭辞を使用する必要はありませんが、数秒ごとに1つの電子を測定することで使用しています。私たちは文字通りAFMを単一電子流速計として使用しています。」
これは非常に基本的な研究ですが、アプリケーションは、たとえばチップの欠陥の特性評価から、太陽光発電や有機半導体まで、電子デバイスにまで及びます。
原子間力顕微鏡で測定した絶縁体に単一分子を帯電させたときの再編成エネルギー Shadi Fatayer、Bruno Schuler、Wolfram Steurer、Ivan Scivetti、Jascha Repp、Leo Gross、Mats Persson、Gerhard Meyer、DOI： 10.1038 / s41565-018-0087-1
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