Ученые изучили поведение электронов в цепных молекулах

Изображение цепочки полимера, полученное различными методиками.

Полупроводниковые пи-сопряженные полимеры благодаря их легко перестраиваемым электрическим, оптическим и магнитным свойствам являются перспективными материалами для таких практических приложений, как светоизлучающие диоды, полевые транзисторы, а также в сегментах солнечной энергетики и создания оптоэлектронных устройств. В своей последней работе группа ученых из США предложила новый способ производства подобных полимеров, а также проанализировала отдельные олигомерные цепочки с использованием передовых технологий сканирующей зондовой микроскопии. Исследования показали, что олигомерные цепи полимеров дают возможность по-новому взглянуть на связь между химической структурой и электронными свойствам цепных молекул. Ученые уверены, что их работа в перспективе поможет в разработке устройств на основе электропроводящих полимеров с заданными электронными свойствами. Кроме того, предложенная методика производства потенциально может быть перенесена на новые графеновые наноструктуры (на подложках из изолятора).


В рамках своей работы группа ученых из University of California и Lawrence Berkeley National Laboratory (США) создавала отдельные олигомерные цепи полимеров с помощью нагревания прекурсора (энедиина), за которым следовала радикальная полимеризация. Надо отметить, что подобная реакция для производства размещенных на поверхности производных полиацетилена использовалась впервые. Далее ученые использовали методики сканирующей туннельной микроскопии и бесконтактной атомно-силовой микроскопии для подробного изучения полученного полупроводникового полимера.

Обе методики основаны на использовании очень острого зонда или металлического наконечника, который подводится непосредственно к образцу (на расстояние менее нескольких атомных диаметров). С помощью сканирующего туннельного микроскопа, измеряя квантово-механический туннельный ток между зондом и образцом, ученые смогли получить информацию об электронных состояниях полимера. В свою очередь бесконтактная атомно-силовая микроскопия была использована для непосредственного отображения химической структуры молекул на поверхности образца. Правда, чтобы обе методики работали должным образом, необходимо было их немного скорректировать, в частности, использовать модифицированные зонды, а также контролировать дополнительные параметры, к примеру, расстояние между зондом и образцом. Благодаря этим ухищрениям ученым удалось получить детальную картину процесса образования полимерных цепей. Они смогли наблюдать электронные состояния, возникающие в олигомерных цепях; кроме того, определили, что энергия этих состояний коррелирует с длиной цепи.

Как поясняют исследователи, упомянутые выше низкоэнергетические электронные состояния формируются благодаря эффективному перекрытию пи-орбиталей мономерных строительных блоков. Соответственно, повышение пространственной делокализации тесно связано с уменьшением электронной энергии олигомеров, что было также подтверждено теоретическим моделированием.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

В ближайшем будущем группа ученых планирует аналогичным образом наблюдать за синтезом графеновых нанолент на подложках из изолятора (в ходе синтеза планируется применять схожий производственный процесс). Графеновые наноленты, по мнению исследователей, - это уникальные структуры, которые изменяют свои свойства от полуметаллических до полупроводниковых, по мере того как их ширина уменьшается. Подробные исследования их синтеза, как ожидается, должны продемонстрировать множество интересных и технологически полезных особенностей. В перспективе эти особенности могут использоваться в высокоэффективных наноэлектронных устройствах, таких как высокочастотные транзисторы и датчики. Кроме того, они могут быть идеальными соединительными элементами в наноэлектронных схемах.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl403791q
http://nanotechweb.org/cws/article/tech/56049