Efficiënte stroomstoplichtjes van slechts één molecuul

Diodes zijn de stoplichtjes van de elektronica: ze bepalen of stroom wel of niet door mag in een schakeling. Het streven van chipfabrikanten is om ze zo klein mogelijk te maken, zodat er zoveel mogelijk componenten op een chip passen. Diodes moeten bij groen voor een goede doorstroming zorgen, en zorgen dat zo weinig mogelijk stroom ‘door rood kan fietsen'. Wetenschappers van de TU Delft zijn er in geslaagd een diode te maken op basis van slechts één molecuul. De groen/rood-verhouding (in vakjargon: rectification ratio) van deze diode ligt met 600 vele malen hoger dan eerder onderzoek (15). Daarnaast maakten de onderzoekers de diode voor het eerst ‘tunebaar'.

Volgens de Wet van Moore worden elektronische componenten zoals diodes en transistoren steeds kleiner, en computers sneller. Wetenschappers doen momenteel fundamenteel onderzoek aan componenten die bestaan uit individuele moleculen, in theorie de kleinst mogelijke componenten.

"De eerste diode op basis van een molecuul is in 2005 gemaakt", zegt promovendus Mickael Perrin. "Hij werkt wel, maar tot nu waren zulke diodes vrij beroerde stoplichtjes: als ze op groen stonden liep er ongeveer 10x zoveel stroom doorheen vergeleken met ‘rood'. Dat zou je, om in de stoplichtanalogie te blijven, nog best een behoorlijke verkeerschaos kunnen noemen. Vergeleken met de waardes van klassieke diodes, bijvoorbeeld in je laptop, is het weinig indrukwekkend. Die halen waardes tot wel 10 000 of 100 000."

 

Ethaanbrug

Mickael Perrin en zijn collega's ontwikkelden een diode op basis van een kunstmatig molecuul waarmee ze een rood/groen-waarde van 600 haalden. "Dat is veel hoger dan onderzoek hiervoor.  Ons molecuul heeft aan beide zijden twee benzeenringen, met daartussen een brug van ethaan. Die brug, eigenlijk een drempel, zorgt ervoor dat de stroom wel kan lopen als de energieniveaus aan beide zijden gelijk zijn, maar niet als ze verschillend zijn", legt Perrin uit. "Een belangrijk ander resultaat van dit onderzoek is dat we deze diode met een elektrisch veld kunnen tunen: door gebruik te maken van een gate-elektrode kunnen we de energieniveaus verschuiven, en hiermee de rood/groen-waarde aanpassen. Dat kan 20, zijn, maar ook 500. Met de gate kunnen we de waarde in de gewenste hoge stand zetten, zodat we een goed werkende diode krijgen."

 

Samenwerking

Het onderzoek is een samenwerking tussen nanowetenschappers van Kavli Institute of Nanoscience (Mickael Perrin, Jos Thijssen en Herre van der Zant), en scheikundigen van de afdeling Chemical Engineering (Elena Galan, Rienk Eelkema en Ferdinand Grozema). Nu is het nog fundamenteel onderzoek, maar het zou in de toekomst kunnen leiden tot nog kleinere elektronica en energiezuinigere computers. Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door onderzoeksfinancier NWO/FOM.

 

Bekijk het abstract 'A gate-tunable single-molecule diode'.