【研究成果】促進分子導電性的雙金屬電極 以單一分子作為電子元件的IC新開局

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  Stella Y.T. Sun (科學推展中心特約編輯)


原子力顯微術測量雙金屬電極間的單分子導電值之示意圖

由台灣研究團隊操刀,藉著新型態電極材料驗證模型,微觀世界的交通改革從這裡做起。

敲敲你的手機,試著想想:與你朝夕相處的這位夥伴「內在世界」是怎麼運作的?科學期刊《自然-材料科學》於今(2021)年1月28日刊載了一則分子電子學領域的研究報告,臺灣大學化學系博班生古孟文、彭晧及陳俊顯教授與臺東大學應用科學系陳以文教授的研究團隊通過實驗證明:應用了混合金屬的新種類電極架構,能有效增強電極表面與分子之間的作用力,更進一步提升導電值,為電子元件帶來更高的傳輸效率。

分子電子學是將電子學縮小至分子尺度,結合了對分子結構熟悉的化學領域與電子學相關的物理、工程等領域,探討與設計單一分子運作機制的一門學科。此概念於1974年首次由馬克・拉特納(Mark A. Ratner)提出,也因此被尊稱為分子電子學之父。

現代人的生活和3C產品密不可分,電子元件的生產更是台灣引以為傲的實力產業之一,在大大小小的電子元件中,不同材料的異質接面,它們的能帶如何相接,決定了電子傳遞的行為。想像日常隨處可見的電子裝置,例如你現在正拿來閱讀這篇文章的電腦或是手機,若它們的內部是個微型世界,那麽其中的電子元件便是一個個城市,這些城市以不同特性的塊材細分為類似住、商等不同功能組成,而導電則是穿梭於「電子元件城」的交通。分子電子學旨將「單一分子或分子叢簇」稼接在塊材電極上,也就是把社區住宅和商業大樓再詳細編排得一戶、一間都能夠摸清楚的狀況,而這一戶、一間,就是分子電子學的組成單元「分子」。由於化學分子的可預測性和可合成性,我們可以針對它們的特質及電性的綜合表現進行微調,進而找出最優質的「交通方案」:像是如何最佳化交界點、降低電子傳輸的瓶頸,這些正是研究人員力求突破的關鍵課題。

電極-分子接點的導電性與金屬-分子之間耦合作用的強度息息相關,而這個耦合作用可藉由調控電極的表面電子結構加以強化。在分子電子學領域,「金」是電極材料的首選,而此次研究團隊利用低電位沈積法(underpotential deposition, UPD)製作單一原子層的雙金屬電極系統,並以原子顯微術(atomic force microscope-based break junction, AFM BJ)量測單分子導電值,在取得數據後建立理論模型。研究發現在金電極表面鍍上一層只有一個原子厚度的銀或銅,能有效調節電極能帶結構和導電率:鍍銀後,電極表面的作用力增加了30%至80%,單分子的導電值也提升為金電極的40至60倍。

以往在這個領域多採用純金或是純鉑這類化學性質穩定的單一元素作為電極,本次研究證實了雙金屬的電極設計是有效的應用策略,並為此領域提供了新的研究方向,未來將優化各類雙金屬組合,進一步使電極材料多元化。屆時,微型世界的交通改革將出現在你掌上的這台小方盒中。

以雙金屬電極增強單分子導電值的機制模型。(圖片來源:Nature Materials)

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