Провода толщиной в один атом

Карбин — одномерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой длинные цепочки sp-гибридизованного углерода. Эта аллотропная форма углерода представляет интерес не только с фундаментальной точки зрения, но и с точки зрения материаловедения. Карбин — один из самых прочных материалов на разрыв, а также (в своей кумуленовой форме) обладает высокой электропроводностью. В недавно опубликованной статье в журнале Nature Chemistry исследователи под руководством профессора Пол Дж. Лоу и доктора Андреа Веццоли измерили проводимость отдельных линейных углеродных цепей разной длины (вплоть до 16 атомов углерода).

Исследователям предстояло решить несколько сложных технических задач, чтобы создать провода толщиной в один атом. Первая из них заключалась в том, что «голый» карбин крайне нестабилен. Решением послужил синтез относительно инертных триметилфосфитных комплексов Au(I), защищающих концы цепей. Однако, несмотря на наличие объёмных заместителей с прочной связью C–Au, попытка отделить комплекс, содержащий 20 атомов углерода, привела к взрыву, а 18-углеродный олигоин не удалось очистить из-за его крайне низкой растворимости и высокой реакционной способности. Получение углеродных цепей в виде таких комплексов сразу же решало проблему доставки вещества: в нанозазоре между электродами происходила реакция трансметаллирования — концевые группы золота отщеплялись, и «голая» углеродная цепь ковалентно встраивалась между электродами (рис. 1).

Но как исследователям удалось обеспечить соединение золотых электродов только через одну цепь? Секрет кроется в двух основных аспектах, а именно в очень тонких концах электродов (буквально один атом золота на острие) и идеально точном контроле расстояния между ними с точностью до пикометров (рис. 2). Добиться утончения электродов до такой крайней степени удалось благодаря методу разрывной туннельной микроскопии (STMBJ). Изначально электроды создавали массивный контакт, а затем разводились друг от друга с экстремально низкой скоростью — 10–40 нанометров в секунду. Такая скорость позволяла структуре электродов перестраиваться в процессе, а толщину контакта измеряли по характерной величине кванта проводимости. Как же удалось достичь таких скоростей? Дело в том, что электроды были помещены на пьезоэлектрический актуатор, который в зависимости от подаваемого на него напряжения с высочайшей точностью деформируется в заданном направлении. Использование пьезоэлектрика позволило также обеспечить тонкую регулировку расстояния между электродами во время реакции трансметаллирования.  

Результаты экспериментов оказались поразительными. Исследователи обнаружили, что для коротких цепей (до 10 атомов) проводимость падает экспоненциально, как и ожидалось для полупроводников. Однако при дальнейшем увеличении длины цепи (от 12 до 16 атомов) проводимость перестает падать и выходит на плато. Это происходит потому, что массивные золотые электроды выступают в роли резервуаров электронов: происходит перенос заряда в углеродную цепь, длины связей выравниваются, и провод переходит из полупроводникового состояния в металлическое (кумуляленовое), демонстрируя рекордную квази-баллистическую проводимость.

Ссылка на статью

Материал подготовил Попович С.З.