Исследователи открыли новый способ сборки электронных компонентов с помощью донорно-акцепторной химии
Международная группа ученых из университетов Бирмингема и Уорика (Великобритания), а также Венского университета (Австрия) создала молекулярный «инструментарий» для разработки электронных компонентов следующего поколения. Это достижение позволяет собирать электронные элементы из молекулярных нанолент с атомарной точностью, что открывает широкие возможности для различных областей — от умной одежды до квантовых вычислений.
В основе разработки лежит использование донорно-акцепторной химии, с помощью которой исследователи смогли строить наноленты с беспрецедентной точностью. Ключевая особенность метода заключается в том, что электронное поведение материала можно запрограммировать еще до его сборки. Это достигается за счет точного чередования молекул, которые «отдают» и «принимают» электроны в определенных последовательностях и длинах.
Джеймс Лоуренс, который руководил большей частью работы еще будучи аспирантом Уорикского университета, отметил, что данное исследование создает новый инструментарий для построения электронных материалов с атомной точностью. По его словам, создание нанолент непосредственно на металлической поверхности позволяет получать идеально определенные структуры, чего трудно достичь с помощью традиционной химии. Профессор Джованни Костантини из Бирмингемского университета подчеркнул, что хотя атомарно точные наноленты изучались и раньше, это первый случай, когда они были построены путем прямого комбинирования донорных и акцепторных электронных единиц. Благодаря возможности точно выбирать расположение этих единиц ученые могут заранее проектировать их электронные свойства и реализовывать их с атомарной точностью.
В рамках проекта были успешно получены идеально определенные молекулярные цепочки, состоящие только из донорных, только из акцепторных, а также смешанные цепочки. Для визуализации использовалась передовая микроскопия, позволившая увидеть отдельные атомы и химические связи, что дало возможность обнаружить мельчайшие несовершенства и измерить электронное поведение внутри нанолент. Давиде Бонифаци из Венского университета добавил, что интеграция концепций донорно-акцепторной химии в эти стратегии поверхностного синтеза позволила получить протяженные структуры нанолент, которые трудно создать в растворе. Данный подход решает ограничения, свойственные нанолентам на основе графена, который по своей природе неохотно становится полупроводником.
Исследование также показало, что удлинение полностью донорных или полностью акцепторных лент усиливает их соответствующие донорные или акцепторные свойства, в то время как смешанные ленты приобретают уникальные характеристики в зависимости от специфической молекулярной последовательности. Эти результаты позволили создать теоретическую модель, которая дает возможность разрабатывать материалы с заранее заданными электронными свойствами для конкретных применений. Габриэле Соссо из Уорикского университета отметил, что эти наноленты демонстрируют, как дизайн на атомном уровне может быть использован для точной настройки реальных электронных свойств, причем ключевую роль в дальнейшем развитии метода играет учет влияния поддерживающей поверхности и локального окружения.
В настоящее время ученые уже переходят к следующему этапу, планируя применить этот атомарный дизайн для создания более эффективных солнечных элементов и датчиков. Среди будущих разработок, которые станут возможны благодаря этой технике, — гибкая органическая электроника, которую можно будет печатать или наносить прямо на материалы, например, на умную одежду. Кроме того, технология может поддержать создание сверхминиатюрных схем для устройств интернета вещей и высокоточных биоэлектронных имплантатов для человека и животных.
Исследование в журнале Nature Communications.