התקדמות משמעותית בפיתוח של ננו-רכיבי אלקטרוניקה

החוקרים עבדו עם דיודה אורגנית פולטת אור (OLED, organic light-emitting diode) המופעלת ע”י מעגל פשוט וזעיר בגודל מיקרוסקופי המחוברת לשכבה של חומר אורגני בעובי של מולקולה יחידה המצויה בין אלקטרודה חיובית ואלקטרודה שלילית.

מדענים ניצבים בפני מספר חסמים בבואם לפתח מעגלים חשמליים בגודל מיקרוסקופי, לרבות השאלה כיצד לשלוט באופן אמין בזרם העובר דרך מעגל בעובי של מולקולה יחידה. מהנדסי כימיה הצליחו עתה לגלות כיצד לעשות זאת.

הפרופסור להנדסה כימית Alexander Shestopalov מאוניברסיטת רוצ’סטר עשה בדיוק זאת ובכך הצליח לקדם אות המדע צעד אחד נוסף קרוב יותר לפיתוחם של מעגלי חשמל ננומטריים. “עד עתה, מדענים לא הצליחו להכווין באופן אמין את העברתו של מטען חשמלי ממולקולה אחת למולקולה שנייה,” אומר החוקר. “אולם, זה בדיוק מה שהיינו צריכים לעשות כאשר עבדנו על מעגלים אלקטרוניים בעלי עובי של מולקולה אחת או שתיים.”

החוקרים עבדו עם דיודה אורגנית פולטת אור (OLED, organic light-emitting diode) המופעלת ע”י מעגל פשוט וזעיר בגודל מיקרוסקופי המחוברת לשכבה של חומר אורגני בעובי של מולקולה יחידה המצויה בין אלקטרודה חיובית ואלקטרודה שלילית. מאמרי מחקר מעודכנים הראו כי קשה לשלוט בזרם העובר דרך מעגל כה זעיר בין שתי אלקטרודות. הפתרון, כפי שהסבירו זאת החוקרים במסגרת מאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Advanced Material Interfaces היה להוסיף שכבה נוספת ואינרטית של מולקולות.

השכבה האינרטית (בלתי פעילה) מורכבת משרשרת ישרה של מולקולות אורגניות. על השכבה הזו נמצאות מולקולות ארומטיות (טבעתיות) המתפקדות בתור תיל להולכת האלקטרונים. השכבה האינרטית מתפקדת למעשה כמו הכיסוי הפלסטי הנמצא בתילי חשמל המבודד ומפריד את התילים הנושאים חשמל חי מהסביבה שלהם. מאחר והשכבה התחתונה אינה מסוגלת להגיב עם השכבה הצמודה לה, התכונות האלקטרוניות של המערך כולו נקבעות אך ורק ע”י השכבה העליונה.

הסידור הדו-שכבתי העניק לחוקרים גם את היכולת לכוונן את מידת השליטה במעבר של המטענים. בעזרת שינוי הקבוצות הפונקציונאליות – אותן יחידות של אטומים המחליפים את אטומי המימן שבמולקולה וקובעים את התגובתיות הכימית האופיינית של המולקולה – החוקרים הצליחו לשלוט באופן מדויק יותר בקצב שבו עובר זרם האלקטרונים בין האלקטרודות לבין השכבה העליונה של המולקולות האורגניות.

בתחום של התקנים אלקטרוניים מולקולאריים קבוצות פונקציונאליות מסוימות מזרזות את מעבר המטענים, בעוד שאחרות מעכבות את הקצב. בעזרת הוספת השכבה האינרטית החוקרים הצליחו להפחית את ההפרעות הכימיות של השכבה העליונה, וכתוצאה מכך, להשיג את קצב העברת המטען המדויק והנדרש בעזרת שינוי טיב הקבוצה הפונקציונאלית.

לדוגמה, דיודה אורגנית פולטת אור עשויה להידרש למעבר מטענים מהיר יותר על מנת לשמר רמת נהורנות (פליטת אור, luminescence) מוגדרת, בעוד שהתקן הזרקה ביו-רפואית עשוי להידרש לקצב איטי יותר בהליכים עדינים או משתנים.

אף על פי שהחוקרים הצליחו להתגבר על מכשלה משמעותית, עדיין נותרה עבודה רבה לפני שהתקנים אלקטרוניים מולקולאריים דו-שכבתיים יוכלו להפוך למוצר מעשי. המכשלה הבאה היא רמת היציבות של ההתקן. “המערכת שפיתחנו מתפרקת במהירות בטמפרטורות גבוהות,” אומר החוקר הראשי. “אנו צריכים לפתח התקנים יציבים לאורך שנים, משימה שתימשך עוד זמן רב.”

הידיעה על המחקר