In een moleculaire transistor springen elektronen van molecuul naar molecuul
Op veel plaatsen in de wereld wordt onderzoek gedaan aan elektrische geleiding door organische materialen. De hoop is dat die materialen op den duur een concurrerend alternatief worden voor de elektronica die gebaseerd is op halfgeleiders en op silicium in het bijzonder. De elektrische activiteit in 'plastic elektronica' vindt plaats in lagen van specifieke organische moleculen. Een groep onderzoekers*) van de Rijksuniversiteit Groningen, het Laboratoire des Matériaux Moleculaires van de CNRS in Frankrijk, de Technische Universiteit Eindhoven en de Technische Universiteit Delft heeft met steun van de Stichting FOM onderzoek gedaan aan de elektrische geleiding in een schakeling van een organisch materiaal. In de Nature van 27 april schrijven zij dat de geleiding de vorm blijkt te hebben van elektronen die van molecuul naar molecuul springen. In veel gevallen gaat dit bij kamertemperatuur maar moeizaam. De onderzoekers signaleren twee mogelijke oplossingen voor dit probleem. Gebruik grotere moleculen of beter nog verlaag de elektrische barrière tussen de moleculen. Er is nog veel onderzoek nodig eer hoogwaardige moleculaire 'chips' gemaakt kunnen worden.
*) W.A. Schoonveld, J. Wildeman en B.J. van Wees, Rijksuniversiteit Groningen, D. Fichou, Laboratoire des Matériaux Moleculaires, Thiais, Frankrijk, P.A. Bobbert, Technische Universiteit Eindhoven en T.M. Klapwijk, Technische Universiteit Delft
Vergeleken met de enorme kennis die in de afgelopen eeuw verzameld is over silicium, staat het onderzoek van elektrisch transport in moleculaire systemen nog in de kinderschoenen. Kennis van de aard van het transport is onder meer van praktisch belang omdat men streeft naar een hoge mobiliteit van de ladingsdragers, wat resulteert in een lage weerstand en een hoge schakelsnelheid.
Voorbeelden van moleculen die gebruikt worden als actieve lagen in moleculaire elektronica zijn polymeren en oligomeren. De laatste hebben een goed gedefinieerd aantal moleculaire eenheden. Zo'n eenheid bestaat uit een ring van vijf of zes koolstofatomen, voorzien van de nodige waterstofatomen en eventueel nog atomen van andere elementen. De eenheden kunnen goed regelmatige structuren vormen. Toepassingen liggen op het terrein van goedkope en flexibele (letterlijk én figuurlijk) elektronica, zoals 'smart cards', maar ook op het vlak van zonnecellen, lichtgevende diodes en displays.
Een perfect modelsysteem
Eerder onderzoek van dr. Alex Schoonveld, onlangs gepromoveerd in de groep van prof.dr. Teun Klapwijk, was gericht op de fundamentele transporteigenschappen van geordende moleculaire lagen. Door een zorgvuldige synthese en zuivering van de materialen, gecombineerd met lithografie op micrometerschaal, was hij in staat om storende effecten te elimineren en een zogeheten veld-effect transistor te maken van een organisch materiaal met een perfect regelmatige kristalstructuur. De 'actieve' laag waarin het transport optreedt, bestaat dan uit één perfect kristal. Figuur 1 laat twee afbeeldingen zien van dergelijke kristallen.
Schoonveld bracht zo'n laagje van organisch materiaal aan op een 'gate'-elektrode. Door middel van die elektrode kon hij de hoeveelheid ladingsdragers in het laagje variëren en daardoor ook de elektrische weerstand. Dat is het principe waarop de veld-effect transistor berust. Figuur 2 geeft een doorsnede van die transistor, met de daarbij behorende moleculen. In het artikel in Nature worden de resultaten vergeleken van drie verschillende moleculen: pentaceen, quaterthiofeen en sexithiofeen. Deze moleculen zijn onder andere gekozen omdat ze zich netjes tot kristallen laten ordenen.
Elektrisch transport ontrafeld
Grofweg gesproken zijn er twee beschrijvingen voor elektrisch transport door vaste materialen. In de meeste metalen en halfgeleiders treedt 'bandtransport' op. De atomen zijn zo sterk aan elkaar gekoppeld dat de geleidingselektronen van de afzonderlijke atomen niet meer weten bij welk atoom ze horen. In hun quantummechanische beschrijving strekken deze elektronen zich als golven uit over vele atomen. Elektrische weerstand wordt in dit geval veroorzaakt doordat elektronen worden verstrooid aan onzuiverheden. Hoe zuiverder het materiaal, hoe lager de weerstand.
Het tweede type elektrisch transport heeft te maken met het feit dat moleculen slechts op elkaars aanwezigheid reageren door relatief zwakke Van der Waals-krachten. Daardoor kunnen naburige moleculen elektrisch zwak gekoppeld zijn. Het transport treedt nu op doordat elektronen (of ontbrekende elektronen, in het jargon 'gaten' genoemd) van het ene naar het andere molecuul 'springen'. De frequentie waarmee dat gebeurt hangt af van twee factoren: de weerstand tussen de moleculen en het energieverschil voor en na het overspringen. In het artikel in Nature leggen de onderzoekers een relatie tussen de waargenomen energie die een elektron voor een sprong nodig heeft (de zogeheten activeringsenergie) en de afmetingen van de moleculen. Immers, door de kleine afmetingen van de moleculen (typisch 1 nanometer) is hun elektrische capaciteit C klein (typisch 10 -18 Farad). Dit betekent dat de ladingsenergie e 2 /2C (Coulomb-energie) die nodig is voor het toevoegen van slechts één enkel elektron aan een molecuul al groter kan zijn dan de beschikbare thermische energie kT, die geleverd wordt door de temperatuur van het materiaal. Uit de resultaten blijkt dat deze energie zelfs bij kamertemperatuur niet altijd voldoende is om elektronen te laten overspringen. Dat is een probleem, want de moleculaire schakelingen moeten bij voorkeur gewoon bij kamertemperatuur kunnen werken.
Op weg naar betere geleiding
Het fenomeen dat een elektron een bepaalde energie nodig heeft om over te kunnen springen, staat bekend als Coulomb-blokkade. Het verschijnsel treedt bijvoorbeeld op in systemen van kleine eilanden van metalen en halfgeleiders in zeer kleine microscopische schakelingen. Dat het model van Coulomb-blokkade ook gebruikt kan worden voor geordende moleculaire systemen lag niet direct voor de hand, omdat deze systemen daarvoor te ingewikkeld werden geacht. Uit het onderzoek blijkt echter dat de elektrische geleiding in deze systemen te beschrijven is als een combinatie van de weerstand tussen twee moleculen, waarvoor een elektron om die te overwinnen een sprong moet maken, en de capaciteit van elk afzonderlijk molecuul. Daardoor dienen zich nu mogelijke oplossingen aan. Eén mogelijkheid is andere, dat wil zeggen grotere moleculen te kiezen. want die hebben een grotere capaciteit. Veelbelovender is wellicht een ander materiaal als ondergrond voor de schakelingen te kiezen, om zo de weerstand tussen de moleculen te verlagen. Dan moet een elektrisch transport op gang kunnen komen dat lijkt op bandtransport en dus veel efficiënter is. Verder onderzoek aan de Rijksuniversiteit Groningen en de Technische Universiteit Delft zal moeten uitwijzen of deze verwachtingen terecht zijn.
Voor nadere informatie kan men contact opnemen met dr. A. Schoonveld, Philips Semiconductors, telefoon: (024) 353 51 87, dr.ir. B.J. van Wees, Rijksuniversiteit Groningen, telefoon: (050) 363 49 33 en prof.dr.ir. T.M. Klapwijk, Technische Universiteit Delft, telefoon: (015) 278 59 26 of 278 26 00.