Elektronische stroom schakelen binnen één koolstofmolecuul
Het lijkt haast een buitenaards landschap, dat beeld op de omslag van de Nature van op 18 november, maar het is een geknikte buis van koolstofatomen die twee elektroden verbindt. De afbeelding is gemaakt met behulp van een atomaire-krachtmicroscoop door onderzoekers van de Stichting FOM, de Technische Universiteit Delft en Bell Labs in de Verenigde Staten. De onderzoekers hebben voor het eerst overtuigend aangetoond dat binnen één zo'n geknikte koolstofbuis een elektrische stroom geschakeld kan worden. Dit kan het begin zijn van elektronica op basis van uitsluitend koolstofmoleculen.
Om de prestaties van micro-elektronische schakelingen te verbeteren wordt al jaren gewerkt aan een steeds verdergaande verkleining van de afmetingen. Het zou een grote stap voorwaarts zijn indien afzonderlijke moleculen gebruikt kunnen worden als actieve bouwstenen voor dergelijke schakelingen. Dit idee bestaat al sinds de jaren '70, maar het realiseren ervan bleek heel lastig. Het concept werd nieuw leven ingeblazen met de komst van enkelwandige koolstofbuizen. Die hebben een doorsnede van slechts een enkele nanometer (miljoenste van een millimeter). Ze worden in het laboratorium gemaakt door een laagje grafiet van één atoom dik tot een buis op te rollen. Zo'n buis, die kan worden beschouwd als één molecuul, heeft de eigenschappen van een metaal of van een halfgeleider, afhankelijk van de manier waarop de laag grafiet wordt opgerold. Dat maakt koolstofbuizen in elektrisch opzicht zeer interessant. Onder leiding van prof.dr. Cees Dekker is bij het instituut DIMES van de Technische Universiteit Delft de afgelopen jaren baanbrekend onderzoek aan koolstofbuizen en hun elektrische eigenschappen gedaan. Vanwege hun afmetingen worden de koolstofcilinders vaak nanobuizen genoemd.
Experimenten hebben aangetoond dat metallische nanobuizen bij lage temperaturen kunnen fungeren als transistors voor het schakelen van afzonderlijke elektronen. Halfgeleidende nanobuizen kunnen bij kamertemperatuur fungeren als veld-effect transistors; dat zijn miniatuurtransistors waarmee je de stroom door een enkel molecuul tussen twee elektrodes aan of uit kunt zetten. Helemaal fascinerend is de mogelijkheid om binnen één zo'n koolstofbuis elektrische stroom te schakelen.
Een stap op weg daarheen is dat er 'schakelaars' in moleculen aanwezig zijn of gemaakt kunnen worden. De FOM-onderzoekers dr. Zhen Yao en drs. Henk Postma, dr. Leon Balents van Bell Labs in de Verenigde Staten en prof.dr. Cees Dekker van de Technische Universiteit Delft hebben nu aangetoond dat binnen een nanobuis overgangen in het materiaal voorkomen, die bijvoorbeeld werken als een moleculaire diode.
Geknikte koolstofbuis
De elektrische eigenschappen van nanobuizen hangen, zoals hierboven al aangegeven, af van de manier waarop de grafietlaag waaruit de buizen bestaan, wordt opgerold. Een nanobuis wordt gevormd door zeshoeken van koolstofatomen. Nu is het mogelijk om ergens één zeshoek te vervangen door een vijfhoek en een andere zeshoek in de buurt door een zevenhoek. De grap hiervan is dat daardoor over een afstand van slechts enkele atomen de elektrische eigenschappen van de buis aan weerskanten van de ingreep veranderen! De nanobuis zelf blijft naadloos één geheel, maar hij bestaat nu uit een combinatie van twee stukken met verschillende elektrische eigenschappen. Zo'n combinatie heet in het natuurkundig jargon een junctie, een bouwsteen voor het maken van schakelingen. De plaats van de junctie is precies te bepalen. Door het aanbrengen van een vijfhoek en een zevenhoek ontstaat een scherpe knik in de nanobuis; met een atomaire krachtmicroscoop is die direct zichtbaar.
De onderzoekers in Delft hebben dergelijke knikken nog niet zelf gemaakt. Ze gebruikten nanobuizen, gefabriceerd in de groep van Nobelprijswinnaar prof. Richard Smalley van de Rice University in Houston, waarin knikken tijdens de fabricage spontaan zijn ontstaan.
Het werkt
In theorie was het ontstaan van knikken bekend, maar de onderzoekers in Delft hebben nu voor het eerst overtuigend laten zien dat die juncties inderdaad optreden. Bovendien hebben ze gedetailleerd het elektrisch transport over dergelijke juncties gemeten.
Een knik waarbij de nanobuis aan de ene kant metallisch is en aan de andere kant een halfgeleider, blijkt zich te gedragen als een moleculaire diode, met vergelijkbare niet-lineaire transporteigenschappen als een conventionele gelijkrichtende diode.
In een metaal-metaalknik lijkt de elektrische geleiding sterk onderdrukt te zijn. De geleiding vertoont een afhankelijkheid van temperatuur en aangelegde spanning, die er net zo uitziet als bij ééndimensionale geleiders wier gedrag bepaald wordt door de wisselwerkingen tussen afzonderlijke elektronen.
Het is dus mogelijk om schakelingen te maken binnen één molecuul. Bovendien geven de experimenten scherper dan voorheen aan welke aspecten cruciaal zijn voor het ontwerpen en modelleren van moleculaire schakelingen.