Molekylär konduktans

Molekylär konduktans ( $G=I/V$ ), eller konduktansen för en enda molekyl , är en fysisk storhet i molekylär elektronik . Molekylär konduktans är beroende av de omgivande förhållandena (t.ex. pH , temperatur, tryck), samt egenskaperna hos mätanordningen. Många experimentella tekniker har utvecklats i ett försök att mäta denna kvantitet direkt, men teoretiker och experimentalister står fortfarande inför många utmaningar.

På senare tid har en hel del framsteg gjorts i utvecklingen av tillförlitliga konduktansmätningstekniker. Dessa tekniker kan delas in i två kategorier: molekylära filmexperiment, som mäter grupper om tiotals molekyler, och experiment med enstaka molekyler.

Molekylära filmexperiment

Molekylära filmexperiment består i allmänhet av att ett tunt lager av molekyler placeras mellan två elektroder som används för att mäta konduktansen genom lagret. Två av de mest framgångsrika implementeringarna av detta koncept har varit bulkelektrodmetoden och användningen av nanoelektroder. I tillvägagångssättet med bulkelektrod är en molekylär film typiskt immobiliserad på en elektrod och en övre elektrod bringas i kontakt med den, vilket möjliggör ett mått på strömflödet som en funktion av applicerad förspänning . Nanoelektrodklassen av experiment, genom att kreativt använda utrustning som atomkraftsmikroskopspetsar och trådar med liten radie, kan utföra samma slags ström- kontra applicerade förspänningsmätningar men på ett mycket mindre antal molekyler jämfört med bulkelektrod. Till exempel kan spetsen på ett atomkraftmikroskop användas som en toppelektrod och, med tanke på spetsens krökningsradie i nanoskala, minskas antalet uppmätta molekyler drastiskt. Svårigheterna som man stött på i dessa experiment har främst kommit att hantera så tunna lager av molekyler som ofta resulterar i problem med kortslutning av elektroderna.

En-molekyl-mätning

En molekyl som är kovalent kopplad till två elektroder.

På senare tid har experiment med en molekylmätning utvecklats som ger experimentörer en bättre titt på molekylär konduktans. Dessa faller under kategorierna avsökningssond, som involverar fasta elektroder, och mekaniskt formade kopplingstekniker. Ett exempel på ett mekaniskt bildat korsningsexperiment involverar användning av en rörlig elektrod för att få kontakt med och sedan dra bort från en elektrodyta belagd med ett enda lager av molekyler. När elektroden tas bort från ytan börjar molekylerna som hade bundits mellan de två elektroderna att lossna tills en molekyl slutligen är ansluten. Atomnivågeometrin hos spets-elektrodkontakten har en effekt på konduktansen och kan ändras från en körning av experimentet till nästa, så ett histogramtillvägagångssätt krävs. Att bilda en korsning där den exakta kontaktgeometrin är känd har varit en av huvudsvårigheterna med detta tillvägagångssätt.

Ansökningar

Ett viktigt första steg mot målet att bygga elektroniska enheter på molekylär nivå är förmågan att mäta och kontrollera den elektriska strömmen genom en enskild molekyl. Baserat på den förväntade fortsättningen av Moores lag , som förväntas föra miniatyriseringen av transistorer på integrerade kretsar till atomskala inom de närmaste 10 till 20 åren, kommer detta mål med en molekylnivåkretsdesign att bli utbrett i hela halvledarindustrin.

Andra tillämpningar fokuserar på den insikt som dessa experiment ger inom området laddningstransport, vilket är ett återkommande fenomen i många kemiska och biologiska processer. Denna typ av insikt ger forskare möjligheten att läsa den kemiska informationen som lagras i en enda molekyl elektroniskt, som sedan kan användas i en mängd olika kemikalie- och biosensortillämpningar .