光を使って単一分子デバイスを精密制御

March, 14, 2024, New York--Nature Communications誌に掲載された新しい研究で、コロンビア工科大学の研究チームは、金属同士の直接接触を利用して、分子をリード線に結合させる、導電性が高く調整可能な1分子デバイスを構築したと報告している。
研究チームの斬新なアプローチは、光を使ってデバイスの電子特性を制御し、単一分子デバイス全体の電子輸送を促進する可能性のある金属-金属接触のより広範な使用への扉を開く。

デバイスの小型化が進む中、電子部品の小型化も求められている。有機分子を導電チャネルとする1分子デバイスは、従来の半導体が抱えていた微細化・機能化の課題を解決する可能性を秘めている。このようなデバイスは、光を使って外部から制御できるというエキサイティングな可能性を提供するが、これまで研究者はこれを実証することができなかった。

「この研究により、分子エレクトロニクスの新たな次元を切り開いた。光を使って、2つの金属電極間のギャップ内で分子がどのように結合するかを制御できるのである。これは、ナノスケールでスイッチを入れるようなもので、よりスマートで効率的な電子部品を設計するためのあらゆる種類の可能性が開かれる」と、分子エレクトロニクスのパイオニア、Lawrence Gussman応用物理学教授兼コロンビア工科大学化学教授のLatha Venkataramanはコメントしている。

Venkataramanのグループは、ほぼ20年にわたり、ナノメートルスケールで物理学、化学、工学の相互作用を探求し、単一分子デバイスの基礎特性を研究してきた。同教授の根底にあるのは、2つの電極に結合した分子であり、様々な機能を持つ単一分子回路の構築であり、回路構造は原子レベルの精度で定義されている。

同教授のグループは、炭素ベースの2次元材料であるグラフェンを使用して機能デバイスを作成している人々と同様に、金属電極と炭素系の間の良好な電気的接触が大きな課題であることを認識していた。1つの解決策は、有機金属分子を使用し、分子内の金属原子に電気リードを接続する方法を考案すること。この目標に向けて、チームは、ナノテクノロジーの世界では小さな構成要素とも考えられている有機金属鉄含有フェロセン分子の使用を探求することにした。LEGOピースを積み重ねて複雑な構造を作ることができるのと同様に、フェロセン分子は超小型電子機器を構築するためのビルディングブロックとして使用できる。研究チームは、鉄原子を挟む2つの炭素系シクロペンタジエニル環からなるフェロセン基で末端化された分子を用いた。次に、光を用いて、フェロセン系分子の電気化学的性質を利用して、分子が酸化状態にあるとき(つまり、鉄原子が電子を1つ失ったとき)に、フェロセンの鉄中心と金(Au)電極の間に直接結合を形成した。この状態で、フェロセンが分子と外部回路をつなぐ金電極に結合できることを発見した。技術的には、フェロセンを酸化することで、Au0がFe3+中心に結合することが可能になった。

「光による酸化を利用することで、これらの小さなビルディングブロックを室温で操作する方法を発見し、光を使って電子デバイスの挙動を分子レベルで制御できる未来への扉を開いた」と、この研究の筆頭著者で、Venkararaman研究室のPh.D学生Woojung Leeは話している。

潜在的な影響
Venkararamanの新しいアプローチにより、同氏のチームは、単一分子デバイスの作製に使用できる分子末端(接触)ケミストリーの種類を拡張することができる。また、この研究では、光を用いてフェロセンの酸化状態を変化させることで、この接触をON/OFFする能力も示し、光切り替え可能なフェロセンベースの単一分子デバイスを示している。この光制御デバイスは、特定の光波長に応答するセンサやスイッチの開発への道を開き、幅広い技術に対応するより汎用性の高い効率的なコンポーネントを提供する可能性がある。

この作業は、合成、測定、計算を含む共同作業だった。統合はVenkataramanのグループのポスドク、現南カリフォルニア大学助教授であるMichael Inkpenによって主にコロンビアで行われた。すべての測定は、Venkataramanグループの大学院生であるWoojung Leeによって行われた。この計算は、Venkataramanグループの大学院生とドイツのUniversity of Regensburgの共同研究者によって行われた。

次のステップ
研究チームは現在、光制御された1分子デバイスの実用化を模索している。これには、デバイス性能の最適化、様々な環境条件下での動作の研究、金属間インタフェースによって実現される追加機能の改良などが含まれる。