В век стремительного развития технологии микроэлектронные схемы сжимаются до микроскопических размеров. При этом и требования к размерам отдельных элементов ужесточаются.

Исследователи из двух американских научных центров – Национальной лаборатории Лоуренса (Министерства Энергетики CША) в Беркли и Колумбийского университета – исследовали процесс прохождения электронов по молекулярному соединению, которое представляет собой одиночную молекулу нанометрового размера, соединяющую атомы золота.

Как удалось выяснить ученым, сопротивление такого контакта определяется пространственным положением молекулы относительно соединяемых ею поверхностей.

Вертикальное и угловое расположение молекулярного контакта (изображение: Lawrence Berkeley National Laboratory)

Результаты первых работ по созданию контактов из одиночных молекул и измерению их проводимости появились больше десяти лет назад. Однако процесс формирования прочных соединений на уровне наноструктур чрезвычайно сложен, а потому результаты экспериментов и теоретические предсказания зачастую расходились на порядок и более. По-видимому, пришло время провести сравнение опытных данных с теоретическими.

Эмпирическую информацию ученые получали с помощью сканирующего туннельного микроскопа, оборудованного проводящей золотой иглой. Ранее было показано, что при контакте иглы с золотой поверхностью и последующем увеличении расстояния между ними область контакта постепенно удлиняется и превращается в цепочку молекул. Когда цепочка разрывается, расположенные вблизи молекулы какого-либо другого вещества могут занять место в возникшем зазоре; в результате сопротивление соединения резко меняется. Применяя описанную методику, исследователи выяснили, что проводимость молекул производных от аминов веществ, которые контактируют с золотыми электродами, можно измерять с высокой точностью.

Разработанный теоретический аппарат ученые «протестировали» на примере соединения между золотом и молекулами бипиридина (Bipyridine – формула (C₅H₄N)₂), образующимися при слиянии двух молекул пиридина колцеобразной формы. Эксперименты показали наличие двух явно выраженных стабильных проводящих состояний; по предположению, высказанному одним из авторов, значение проводимости в данном случае должна определять структура контакта.

В результате проверки гипотезы ученые создали стройную теорию, детально описывающую процессы, под влиянием которых происходит изменение сопротивления. Оказалось, что проводимость молекулы бипиридина зависит от ее ориентации в зазоре. На той стадии эксперимента с микроскопом, когда последняя цепочка атомов золота разрывается, ширина зазора оказывается недостаточной для бипиридина, и его молекула образует связь под некоторым углом. С увеличением зазора связь приходит в вертикальное состояние, а проводимость резко падает; дальнейшее удлинение контакта заканчивается разрывом.

Убедившись в правильности своей теории, ученые продемонстрировали обратимость процесса изменения проводимости. Таким образом, исследователи создали механический ключ с выделенными состояниями «включено» и «выключено». В последующих экспериментах авторы планируют распространить теорию на более сложные молекулярные контакты, которые могут быть, например, использованы в системах преобразования солнечной энергии.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology (Su Ying Quek, Maria Kamenetska, Michael L. Steigerwald, Hyoung Joon Choi, Steven G. Louie, Mark S. Hybertsen, J. B. Neaton & Latha Venkataraman. Mechanically controlled binary conductance switching of a single-molecule junction, – Nature Nanotechnology Published online: 1 March 2009 | doi:10.1038/nnano.2009.10).

Исследования частично финансировались Министерством Энергетики США и Национальным Фондом Научных Исследований США.

Евгений Биргер