Ilmuwan IBM Mengukur Tingkat Energi Molekul Tunggal pada Isolator

Shadi Fatayer , pra-doktor di IBM Research dan penulis pertama makalah

Pemahaman kita tentang elektronik molekul tunggal menjadi lebih jelas dan jawabannya melibatkan penggunaan barang rumah tangga biasa – garam.

Membangun dari makalah sebelumnya pada tahun 2009, di mana para ilmuwan dan kolaborator IBM menunjukkan kemampuan untuk mengukur status muatan atom individu menggunakan mikroskop gaya atom nonkontak (AFM), mereka sekarang telah mengambil langkah lebih jauh, mengukur tingkat energi molekul tunggal pada isolator untuk pertama kalinya. Penelitian ini muncul hari ini di jurnal peer-review Nature Nanotechnology .

Diciptakan pada pertengahan 1980-an, mikroskop gaya atom mengukur gaya-gaya kecil antara ujung dan sampel, seperti molekul pada penyangga. Ujungnya adalah instrumen presisi dan multiguna, yang dapat memotret molekul pada resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya dan bahkan memicu reaksi molekuler yang belum pernah terlihat sebelumnya.

Menskalakan Elektronik

Fungsi kepadatan analisis teori naftatosianin pada NaCl(5 ML). Plot kontur 2D dari perbedaan kerapatan muatan yang dihitung antara NPc+ dan NPc0 terintegrasi keluar dari bidang geo+ geo+ molekuler ke wilayah vakum. (Kredit:Nanoteknologi Alam)

Jika Anda pernah membuka semua jenis perangkat elektronik, seperti PC atau bahkan jam alarm digital, Anda akan menemukan apa yang dikenal sebagai papan sirkuit tercetak (PCB). Papan hijau ini biasanya terlihat seperti peta yang menunjukkan semua komponen elektronik perangkat, termasuk apa yang dikenal sebagai trek konduktor. Trek ini membawa arus listrik, seperti rel jalan raya, ke seluruh papan sehingga perangkat dapat beroperasi. Papan juga mencakup lapisan isolasi yang melindungi trek dari kebocoran arus. Tanpa lapisan ini, bahkan perangkat elektronik kecil pun akan membutuhkan lebih banyak energi untuk beroperasi.

Ketika mengevaluasi blok bangunan dasar dari PC atau jam yang sama, tetapi dalam elektronika molekuler, kita akan melihat pengaturan serupa dengan molekul tunggal sebagai lintasan konduktor dan elektron tunggal dipindahkan dari molekul. Sementara lapisan insulasi sangat membantu pada PCB, substrat insulasi dasar yang serupa, pada skala ini, memiliki efek lebih lanjut yang perlu dipertimbangkan.

“Saat mengisi molekul pada isolator, atom dalam molekul akan rileks untuk mengakomodasi muatan tambahan ini dan sama pentingnya, begitu juga inti di isolator. Karena molekul berada di atas isolator, karakterisasi elektronik dari sistem semacam itu sangat sulit.” kata Shadi Fatayer, pra-doktoral di IBM Research dan penulis pertama makalah ini.

Dia menambahkan, “Perubahan posisi atom ini berdampak pada tingkat energinya, yang memiliki efek drastis dalam hal mentransfer satu elektron antar molekul. Laju transfer elektron dapat disetel untuk memvariasikan beberapa urutan besarnya.”

Klik untuk animasi

Tim ilmuwan dari IBM, University of Liverpool, Chalmers University, dan University of Regensburg mencoba pendekatan berbeda untuk mengatasi masalah ini.

Mereka pertama kali menumbuhkan multilayer NaCl, juga dikenal sebagai natrium klorida atau garam, berfungsi sebagai bahan isolasi, di atas substrat logam. Sistem seperti itu memungkinkan molekul yang diserap di atas memiliki status muatan yang stabil dan terlepas dari permukaan logam.

Kemudian, tim merenungkan:“Bagaimana kita mengukur energi reorganisasi?” Secara eksperimental, ini dilakukan dengan molekul dalam larutan, dengan molekul di atas logam, tetapi sampai sekarang, tidak ada teknik yang memungkinkan penyelidikan molekul individu di atas isolator.

Pendekatan unik mereka terdiri dari penggunaan AFM dan elektron tunggal. Elektron tunggal digunakan untuk menyelidiki transisi keadaan muatan dari dua keadaan muatan yang ditentukan di kedua arah. Dalam eksperimen tersebut, para ilmuwan menguji metode mereka pada satu molekul naftosianin.

Peneliti IBM Shadi Fatayer, Leo Gross, dan Gerhard Meyer di lab mereka.

Seperti yang diterbitkan sebelumnya, penulis tahu bahwa mereka dapat dengan andal menggunakan AFM untuk mengukur status muatan yang berbeda di atas isolator ultra-tipis dengan sensitivitas elektron tunggal. Mereka juga baru-baru ini mendemonstrasikan pencitraan molekul bermuatan stabil serta mentransfer elektron tunggal antar molekul di atas isolator yang lebih tebal. Namun, kemampuan untuk mengukur energi reorganisasi memerlukan pengukuran tingkat energi yang sesuai dengan transisi keadaan muatan tertentu.

“Sebelum pekerjaan ini, kami tahu bagaimana mengukur arus listrik melalui molekul. Namun, ini hanya bekerja dalam satu arah untuk orbital tertentu. Ketika kita bisa mengukur energi untuk mengikat elektron ke orbital tertentu, kita tidak akan pernah bisa mengukur energi untuk melepaskan satu elektron dari orbital itu dan sebaliknya. Kemampuan untuk mengukur di kedua arah – ini tidak ada,” kata fisikawan IBM Leo Gross. “Dengan metode AFM kami, kami mengukur tingkat energi di kedua arah perubahan status muatan pada substrat film tipis. Tetapi ini adalah pekerjaan yang sangat menuntut yang berhubungan dengan sinyal yang sangat lemah, yang berarti banyak pengukuran yang cermat diperlukan untuk melakukan analisis statistik yang tepat.”

Dia menambahkan, “Dengan menggunakan metodologi baru ini, kami menggunakan ujung dan gaya yang diberikan pada ujung untuk menghitung elektron tunggal. Kami menyesuaikan tinggi dan tegangan ujung dan kemudian menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan satu elektron untuk pergi ke (atau dari) ujung dan dari sini Anda dapat memperoleh tingkat energi.”

“Tantangan terbesar kami adalah karena ujungnya lebih jauh dari biasanya untuk mengukur peristiwa tunneling dengan tepat,” tambah Fatayer. “Gaya yang sangat lemah yang kami ukur terkait dengan arus dalam skala zepto Ampere – yaitu 10 hingga minus 21 (10 ^{− 21} ). Kebanyakan fisikawan tidak perlu menggunakan awalan ini, tetapi kami melakukannya dengan mengukur satu elektron setiap beberapa detik. Kami benar-benar menggunakan AFM sebagai pengukur arus elektron tunggal.”

Meskipun ini adalah penelitian yang sangat mendasar, aplikasinya mulai dari perangkat elektronik, misalnya karakterisasi cacat pada chip, hingga fotovoltaik dan semikonduktor organik.