Еще одна молекула-выключатель

Химики университета Констанца (Германия) синтезировали и изучили новую молекулу, которая способна менять свою проводимость под действием света («Advanced Science», 2015, 2, 5, doi: 10.1002/advs.201500017). Кажется, остался всего один шаг до наноэлектросхем нового поколения.

В последние годы ученые активно ведут поиск молекул, которые меняют проводимость или другие свойства под действием света или магнитного поля. О молекулярных компьютерах и молекулярной электронике говорят давно, а для нее нужны именно молекулы, которые могут заменить составные элементы микроэлектроники. Тогда микросхемы станут уже наносхемами. А в идеале смогут даже сами регулировать свои параметры проводимости, что даст возможность создавать самоорганизующиеся логические системы.

Группадоктора Артура Эрбе исследовала поведение двух молекул, родственных стильбену (С₆Н₅-СН=СН-С₆Н₅). Стильбен принадлежит к группе диарилэтиленов и существует в двух пространственных конфигурациях: цис (или закрытой, на рисунке слева) и транс (открытой, справа).

Стильбен в двух конформациях

Переход из одной формы в другую возможен под действием ультрафиолетового излучения. При этом одна форма проводит ток, а другая — нет.

К настоящему моменту исследованы многие молекулы — потенциальные ячейки памяти, или молекулярные диоды. В идеале нужны стабильные молекулы, способные к двухсторонним многократным переходам, провоцируемым излучением или магнитным полем. Однако подавляющее большинство найденных молекул имеют тот или иной изъян, пока не позволяющий полноценно применять их в реальных электросхемах.

По сравнению с другими исследованными ранее молекулами диарилэтилены имеют существенные преимущества: термическую стойкость, высокие фото-характеристики, а главное — на их основе можно синтезировать много различных производных. Вот такие производные и изучали немецкие химики. Под действием ультрафиолетового излучения у молекул этого типа проводимость не повышается или понижается — она включается или выключается. При этом показатель проводимости достаточно высокий. Нельзя сказать, что находка сенсационная, однако ранее известные молекулы, демонстрировавшие подобный эффект, не работали так однозначно. Правда, новая молекула закреплена на золотых электродах, и поэтому переход происходит только в одну сторону — повторно изменить конформацию и снова утратить проводимость закрепленная молекула не может. Иными словами, и у нее есть изъян, который предстоит как-то обойти.

Речь идет о двух производных молекулы (-C≡C-C₆H₄-C≡C-C₆H₄-)n с включением дифурилперфторциклопентена –C₁₃H₄O₂F₆, имеющих на концах атомы серы для сцепления с золотыми контактами. У одного производного нет заместителей в боковой цепи (R — просто водород), а другого есть трифторметильные (–CF₃ ) группы. Их облучали ультрафиолетовым светом десять минут, а потом смотрели изменение проводимости.

Особого внимания заслуживает то, как наносили молекулы-проводники на золотые электроды. Для изготовления рабочей схемы использовали мягкую подложку из полиимида размером 100x100x100 нанометров. Сами наноразмерные электроды наносили на подложку методом электронно-лучевой литографии, а потом на электродах закрепляли молекулы-проводники, цепляя их за концевые атомы серы.

Работа такой молекулы-выключателя характеризуется так называемой квантовой эффективностью. Она показывает, в какой мере используются поглощенные фотоны света для того или иного процесса, иначе говоря, это отношение полезных фотонов ко всем использованным фотонам. Квантовая эффективность колеблется от 0 до 1. В нашем случае обе исследованные молекулы имеют максимальную квантовую эффективность, равную примерно 0,3; у первого водородного производного она немного выше, и проводимость у него тоже больше. Возможно, это следствие сильного электроноакцепторного действия трифторметильной группы.

Ученые также смоделировали и объяснили с помощью квантово-механического расчета процесс перехода из непроводящего состояния в проводящее. В числе прочего расчет показал, что новые молекулы в принципе можно «переключить» обратно в непроводящее состояние излучением с другой длиной волны.

Чтобы показать это, химики провели эксперименты и в растворах. Расчеты подтвердились: новые молекулы обратимо переходили из одного состояния в другое под действием ультрафиолета. Это понятно — ведь растворенные молекулы не закреплены на поверхности, а значит, и не ограничены в возможности менять свою геометрию. Конечно, трудно представить, как построить и применять электросхему в жидком виде, поэтому исследователи Университета Констанц должны будут как минимум научиться переключать закрепленную молекулу. А в перспективе — придумать, как заставить ее самостоятельно, в зависимости от условий решаемой задачи, менять конфигурацию.

Олиго(фенилен-этинилен) с дифурилперфлуороциклопентеном