Транзисторы имеют область канала между двумя внешними контактами и электрическим электродом затвора для модуляции тока, протекающего через канал. В транзисторах атомного масштаба этот ток чрезвычайно чувствителен к прыжкам одиночных электронов по дискретным уровням энергии.
Одноэлектронный транспорт в молекулярных транзисторах ранее изучался с использованием нисходящих подходов, таких как литография и разрывные соединения. Но атомарно точное управление затвором, которое имеет решающее значение для работы транзистора в масштабах наименьшего размера, невозможно с этими подходами.
Команда использовала высокостабильный сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для создания транзистора, состоящего из одной органической молекулы и положительно заряженных атомов металла, разместив их острием СТМ на поверхности кристалла арсенида индия (InAs). Киёси Канисава, физик из NTT-BRL, использовал метод молекулярно-лучевой эпитаксии для подготовки этой поверхности. Впоследствии подход СТМ позволил исследователям, во-первых, собрать электрические ворота из +1 заряженных атомов с атомной точностью, а затем разместить молекулу в различных желаемых положениях рядом с воротами. Стефан Фолш, физик из PDI, возглавлявший команду, объяснил, что «молекула лишь слабо связана с шаблоном InAs.
Итак, когда мы подносим наконечник СТМ очень близко к молекуле и прикладываем напряжение смещения к образцу наконечника. перехода, одиночные электроны могут туннелировать между шаблоном и острием, прыгая через почти невозмущенные молекулярные орбитали, аналогично принципу работы квантовой точки, управляемой внешним электродом.В нашем случае заряженные атомы поблизости обеспечивают электростатический потенциал затвора, который регулирует электрон поток и зарядовое состояние молекулы ».Но есть существенная разница между обычной полупроводниковой квантовой точкой, состоящей обычно из сотен или тысяч атомов, и нынешним случаем молекулы, связанной с поверхностью: Стивен Эрвин, физик из NRL и эксперт по теории функционала плотности, указал выяснилось, что «молекула принимает разные ориентации вращения в зависимости от своего зарядового состояния.
Мы предсказали это на основе расчетов из первых принципов и подтвердили это, визуализировав молекулу с помощью СТМ». Эта связь между зарядом и ориентацией оказывает сильное влияние на поток электронов через молекулу, что проявляется в большом промежутке проводимости при низких напряжениях смещения. Пит Брауэр, физик из FUB и эксперт в области квантовой теории переноса, сказал, что «это интригующее поведение выходит за рамки установленной картины переноса заряда через стробируемую квантовую точку. Вместо этого мы разработали общую модель, которая учитывает связанную электронную и ориентационную динамику. молекулы ". Эта простая и физически прозрачная модель полностью воспроизводит экспериментально наблюдаемые характеристики одномолекулярного транзистора.
Совершенство и воспроизводимость, предлагаемые этими транзисторами, генерируемыми СТМ, позволят исследовать элементарные процессы, связанные с протеканием тока через отдельные молекулы, на фундаментальном уровне. Понимание и управление этими процессами — и новыми видами поведения, к которым они могут привести — будет важно для интеграции устройств на основе молекул с существующими полупроводниковыми технологиями.