Peneliti IBM Mengukur Tingkat Energi Molekul Individu pada Lapisan Isolasi dengan Mikroskopi Gaya Atom

Dalam kemajuan yang dipublikasikan hari ini di Nature Nanotechnology, ilmuwan IBM telah untuk pertama kalinya mengkuantifikasi tingkat energi dari satu molekul yang ditempatkan pada permukaan isolasi. Langkah ini membawa kita satu langkah lebih dekat ke realisasi perangkat elektronik satu molekul yang praktis.

Latar Belakang

Sejak tahun 1980-an, mikroskopi gaya atom (AFM) telah memungkinkan ilmuwan mendeteksi gaya dalam urutan pikonewton antara ujung tajam dan sampel. Pada tahun 2009, IBM dan mitra menunjukkan bahwa AFM non-kontak dapat menentukan status muatan atom individual pada permukaan. Membangun pada pekerjaan tersebut, studi saat ini memperluas teknik ini ke satu molekul pada lapisan isolasi, mengatasi tantangan yang lama dalam bidang ini.

Metodologi

Tim menanam lapisan multipel natrium klorida (NaCl) – garam umum – yang sangat tipis pada substrat logam. Arsitektur ini mengisolasi molekul dari logam konduktif, memungkinkan status muatannya untuk tetap stabil. Menggunakan ujung AFM, peneliti menerapkan tegangan yang disesuaikan dengan hati-hati sambil mencatat gaya kecil yang dihasilkan saat satu elektron meluncur antara ujung dan molekul.

Dengan mengukur waktu yang dibutuhkan untuk elektron melompat ke atau keluar dari molekul ke dua arah, ilmuwan mengekstrak energi yang diperlukan untuk setiap transisi status muatan. Energi reorganisasi yang dihasilkan – jumlah energi yang harus dikeluarkan sistem untuk menyesuaikan perubahan muatan – diukur untuk pertama kalinya pada satu molekul dalam konfigurasi ini.

Temuan Kunci

Studi berfokus pada satu molekul naftalosianin (NPc). Sensitivitas gaya AFM mencapai regime zeptoampere (10^–21 A), memungkinkan deteksi satu elektron setiap beberapa detik. Sensitivitas yang tidak pernah sebelumnya ini memungkinkan tim untuk menentukan tingkat energi untuk proses penambahan dan penghapusan elektron, kemampuan yang sebelumnya kurang dalam studi satu molekul.

"Kemampuan untuk mengukur tingkat energi ke dua arah sebelumnya belum ada," kata fisikawan IBM Leo Gross. "Metode AFM kami sekarang memungkinkan kami memetakan lanskap status muatan penuh dari suatu molekul pada isolasi.

"Perubahan posisi atom yang diinduksi oleh pengisian muatan secara signifikan mengubah tingkat energi, yang dapat menyesuaikan laju transfer elektron dengan beberapa orde magnitud," tambah Shadi Fatayer, penulis pertama studi.

Implikasi

Temuan ini memiliki implikasi luas untuk desain komponen elektronik skala nano, termasuk karakterisasi defek dalam sirkuit semikonduktor, perangkat fotovoltaik, dan semikonduktor organik. Dengan memahami bagaimana molekul individual berinteraksi dengan lingkungan isolasi, insinyur dapat lebih baik memprediksi dan mengontrol transport muatan pada skala akhir pembuatan perangkat.

Energi reorganisasi saat mengisi satu molekul pada isolasi diukur dengan mikroskopi gaya atom, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, dan Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1