Объединенная группа специалистов из двух американских научных центров — Национальной лаборатории в Беркли и Колумбийского университета — детально исследовала процесс прохождения электронов по микроскопическому контакту, который представляет собой одиночную молекулу. Как удалось выяснить ученым, сопротивление такого контакта определяется пространственным расположением молекулы относительно соединяемых ею поверхностей.

«Результаты первых работ

по созданию контактов из одиночных молекул и измерению их проводимости появились больше десяти лет назад, — отмечает один из авторов исследования Джефф Нитон (Jeff Neaton). — Однако процесс формирования прочных соединений на уровне наноструктур чрезвычайно сложен, а потому результаты экспериментов и теоретические предсказания зачастую расходились на порядок и более; пришло время провести сравнение опытных данных с теоретическими на примере надежных контактов». 

Эмпирическую информацию ученые получали с помощью сканирующего туннельного микроскопа, оборудованного проводящей золотой иглой. Ранее было показано, что при контакте иглы с золотой поверхностью и последующем увеличении расстояния между ними область контакта постепенно удлиняется и превращается в цепочку молекул. Когда цепочка разрывается, расположенные вблизи молекулы какого-либо другого вещества могут занять место в возникшем зазоре; в результате сопротивление соединения резко изменяется. Применяя описанную методику, исследователи выяснили, что проводимость молекул производных от аминов веществ, которые контактируют с золотыми электродами, можно измерять с высокой точностью.

«У нас образовался массив воспроизводимых и непротиворечивых экспериментальных данных, от которого мы отталкивались при построении теории, — объясняет коллега Джеффа Нитона Су Ин Цюэк (Su Ying Quek). — Проанализировав все эти результаты, мы обнаружили несколько важных неучтенных эффектов. Когда необходимые поправки были введены, теория оказалась согласована с практикой». Разработанный теоретический аппарат ученые решили «протестировать» на примере соединения между золотом и молекулами бипиридина, образующимися при слиянии двух пиридиновых колец. Эксперименты показывали наличие двух явно выраженных стабильных проводящих состояний; по предположению, высказанному г-ном Цюэком, значение проводимости в данном случае должна определять структура контакта.

Проверка вышеупомянутой гипотезы заняла несколько месяцев, но в результате ученые создали стройную теорию, детально описывающую процессы, под влиянием которых происходит изменение сопротивления. Оказалось, что проводимость молекулы бипиридина зависит от ее ориентации в зазоре. На той стадии эксперимента с микросокопом, когда последняя цепочка атомов золота разрывается, ширина зазора оказывается недостаточной для бипиридина, и его молекула образует связь под некоторым углом. С увеличением зазора связь приходит в вертикальное состояние, а проводимость резко падает; дальнейшее удлинение контакта заканчивается разрывом. Ниже представлены результаты расчета проводимости для 55 соединений при изменяющихся расстояниях между золотыми поверхностями; цифрами обозначены различные конфигурации, G₀ = 77,48 мкСм (так называемый «квант проводимости»).

Убедившись в правильности своей теории, ученые продемонстрировали обратимость процесса изменения проводимости. Иными словами, исследователи создали механический ключ с выделенными состояниями «включено» и «выключено». «Результаты экспериментов с молекулой бипиридина говорят о том, что величина проводимости может многократно переходить из одного состояния в другое», — заключает г-н Нитон. В будущем авторы планируют распространить теорию на более сложные молекулярные контакты, которые могут быть задействованы в системах преобразования солнечной энергии.

Отчет ученых готовится к публикации в журнале Nature Nanotechnology; препринт статьи доступен для скачивания с сайта arXiv.

Источник: compulenta.ru