Коллектив ученых из Франции, Испании и Германии с помощью сканирующей туннельной микроскопии исследовал эффективность переноса носителей заряда молекулой фуллерена С60 на медном контакте – сформированном методами СТМ кластере (рис.1 справа). Было исследовано влияние геометрии этого контакта на величину проводимости фуллерена, который можно использовать, например, в качестве «посредника» при соединении других молекул с металлическим контактом в устройствах молекулярной электроники.

В молекулярной электронике (нанобиоэлектронике) в качестве элементной базы используются молекулы (ДНК, РНК, белки, полимеры…). На их основе могут быть созданы нанодиоды, нанотранзисторы, логические элементы и другие компоненты молекулярной электроники. Кроме проблемы выбора молекул для элементной базы перед учеными стоит задача создания контактов между элементами, а также создания контакта металл-молекула, что непросто ввиду малости размеров молекул, а также специфики молекулярного строения.

Одна из трудностей состоит в том, что минимальная толщина контакта, которую можно достичь с помощью современной литографии (22 нм), не соизмерима с размерами молекулы (1 нм), а значит, затрудняет контроль над протеканием тока в молекуле, так как рельеф контакта неровный и предсказать, как будет вести себя молекула в том или ином случае, сложно (рис. 1 слева).

Рис. 1.

Коллектив ученых из Франции, Испании и Германии с помощью сканирующей туннельной микроскопии исследовал эффективность переноса носителей заряда молекулой фуллерена С60 на медном контакте – сформированном методами СТМ кластере (рис.1 справа). Было исследовано влияние геометрии этого контакта на величину проводимости фуллерена, который можно использовать, например, в качестве «посредника» при соединении других молекул с металлическим контактом в устройствах молекулярной электроники. Результаты своих исследований они представили в журнале Nature Nanotechnology.

Для определения влияния геометрии контакта на электропроводность молекулы с помощью СТМ на медной подложке с ориентацией плоскостей кристаллической решетки (111) из атомов меди были сформированы кластеры разных размеров (и соответственно разной формы, см.рис.7). На рис. 2а представлено СТМ изображение медных кластеров CuN, состоящих из N атомов, где N=1,…,4. Затем на острие зонда прикрепили молекулу фуллерена С60.

Рис. 2. СТМ изображения кластеров на подложке Cu(111). a, СТМ изображение кластеров СuN на поверхности Cu(111) (0,1нА; 0,1В). b, То же самое изображение, но в присутствие молекулы C60 на конце иглы СТМ (0,1 нА; –1,7 В).

На рис.2b показаны СТМ изображения, полученные в результате протекания туннельного тока через кластеры и острие зонда с молекулой С60. Изображения с тройной симметрией свидетельствуют о том, что при протекании тока молекула С60 повернута к поверхности подложки одной из своих шестиугольных граней. Результаты исследования представлены на графике на рис.4. Оказалось, что лучше всего фуллерен проводит ток, если в кластере пять атомов меди (см.рис.4,5). При этом проводимость в отсутствие кластеров принимала беспорядочные значения от G0 до 1,6G0, что объясняется беспорядочным характером рельефа медной подложки (рис.1а).

Рис. 3. – b-e, При каждом измерении контролировалось положение кластеров. Оказалось, что в некоторых случаях
происходит некоторое смещение кластеров при приближении к ним молекулы С60. Как утверждают авторы, в своей работе они старались использовать результаты без значительного смещения.

Рис. 4. Результаты исследований. По оси абсцисс отложено расстояние от дна молекулы С60 до медной подложки (см. вставку на рис.2а), а по оси ординат – проводимость G, нормированная на величину G₀, где G₀= 2e²/h – квант проводимости.

Для наглядности ученые смоделировали электронную структуру исследуемого контакта рис. 6. Были рассмотрены два случая, когда расстояние между контактами (на самом деле, атомами во втором ряду) равнялось 17,2 Å и 18,0 Å. В данном случае при расчете под контактом понимался массив атомов меди 4х4, т.е. 16 атомов меди, расположенных в узлах кристаллической решетки. На рис.7 показаны возможные варианты взаимного расположения атомов подложки, кластера и молекулы фуллерена. Интересно, что при сближении контактов на 80 нм происходит перегруппировка кластера из трех атомов меди (см.рис.3f,g), это объясняется тем, что с уменьшением расстояния усиливается влияние атомов контактов на атомы подложки и линейно расположенные атомы кластера перестраиваются в более компактную структуру (на рис.3f,g – тройная)

Рис. 5. Зависимость проводимости от числа атомов в кластере. Проводимость нормируется дважды. Сначала на величину G_c(N=16) – проводимость, измеренную на чистой подложке из 16-ти кластеров, затем нормируется на число атомов в кластере N. Результат – проводимость быстро растет с увеличением числа атомов в кластере вплоть
до пяти, затем наступает насыщение, и на нормированном графике очевиден спад.

Ученые считают, что молекула С60 отлично подходит для соединения металлических электродов с большими органическими молекулами в устройствах молекулярной электроники.

Рис. 6. Серым цветом показаны изоповерхности электронной плотности в центре зоны Бриллюэна для случаев с разным числом атомов в кластере при расстоянии между электродами (вторым слоев атомов кристаллической решетки контактов) L₁ = 17,2 Ангстрем. На рисунке видны не все атомы меди в кластерах.

Рис. 7. Расположение атомов подложки (оранжевый цвет), кластеров (красный цвет) и атомов фуллерена (серый цвет). Слева – при расстоянии 17,2 Ангстрем между плоскостями контактов, справа – 18 Ангстрем.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Guillaume Schull, Thomas Frederiksen, Andrés Arnau, Daniel Sánchez-Portal & Richard Berndt Atomic-scale engineering of electrodes for single-molecule contacts. – Nature Nanotechnology. – 6. – P. 23 –27 (2011); doi:10.1038/nnano.2010.215; Published online 14 November 2010.