德國慕尼黑理工大學(Technical University of Munich;TUM)物理學家組成的研究團隊開發出分子奈米開關,能夠透過施加電壓在兩種不同結構的狀態之間切換。該團隊表示,這項研究發現可望作為開創性元件的基礎,從而以整合且能直接尋址的有機分子取代矽元件。

TUM物理學系的奈米科學家Joachim Reichert表示:「僅用一個單分子進行切換,就可能讓未來的電子元件朝微型化的極限向前邁進一步。」

該研究團隊最初開發的方法是使用外加電壓,讓他們能與強光場中的分子形成精確的電接觸。在大約1V的電位差下,分子改變其結構:使其變得平坦、導電且散射光線。這種強烈依賴分子結構的光學行為,激發了研究人員的創意,因為在這種情況下可以觀察到散射活動——拉曼散射(Raman scattering),同時透過外加電壓的方式進行開啟和關閉。

研究人員使用的是由瑞士巴塞爾(Basel)和德國卡爾斯魯爾(Karlsruhe)的團隊合成的分子。這種分子在充電時會以特定的方式改變其結構。它們排列在金屬表面上,並採用具有極薄金屬塗層為尖端的玻璃碎片角落進行接觸。這使得電接觸、光源和集光器整合於一。研究人員使用該碎片將雷射光直接照射在分子上,並測量隨施加電壓而變化的微小光譜訊號。

TUM 可實現電切換的有機分子(來源:Yuxiang Gong/TUM/Journal of the American Chemical Society)

從技術角度來看,在各個分子之間建立可靠的電接觸極具挑戰性。科學家們如今已經成功地將這一過程與單分子光譜學結合起來,使其能以極高的精確度觀察到分子中最小的結構變化。

分子開關的挑戰

根據研究人員在《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)發表的文章,早期以分子開關陣列建立運算的嘗試,一部份受到限於「金屬-分子-金屬」接點直接化學特性化的挑戰。儘管低溫掃描探針研究提高了對於電流和電壓誘導構形切換的機理瞭解,但「金屬-分子-金屬」構形大部份仍然是從間接證據推斷而來的。

因此,開發強大的化學靈敏技巧有助於該領域的發展。在這項研究中,物理學家透過振動光譜探測了雙能態分子開關的構形,同時透過外加電壓進行操作。他們的研究著重於在室溫下穩定單分子開關中測量單分子拉曼光譜,並顯示其訊號調變近乎兩個數量級。

在國際合作團隊的共同努力下,物理學家團隊成功地將單分子作為光訊號的開關元件;其微小的尺寸使奈米系統適用於需要透過電勢切換光源的光電應用。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Physicists Develop Two-State Molecular Switch for Electro-Optical Devices,by Nitin Dahad)