Gouden combinatie

Een enkele laag moleculen kan op regelmatige wijze stroom geleiden. Met deze vondst trekken Nederlandse onderzoekers de moleculaire elektronica uit het slop.

Michiel van Nieuwstadt

Flexibel display, ontwikkeld door de bedrijven Philips en E Ink. Plastic elektronica kan in de toekomst gebruik maken van schakelingen gemaakt van een enkele laag moleculen. foto philips Philips

'De moleculaire electronica is er weer bovenop', zegt Paul Blom. Hij is een van de auteurs van een artikel over dit onderwerp dat afgelopen donderdag verscheen in Nature. De moleculaire elektronica raakte enkele jaren geleden in diskrediet door de fraude van Jan-Hendrik Schön, een Duitse fysicus die tussen 1998 en 2002 tientallen artikelen publiceerde (onder meer in Nature). Later bleek dat tenminste een deel daarvan was gebaseerd op vervalste experimenten.

Blom en zijn collega's van de Rijksuniversiteit Groningen, in samenwerking met Philips, haalden Nature met een experiment waarin ze aantonen dat een laagje met een dikte van slechts één laag organische moleculen stroom geleidt. De experimenten spreken op het eerste oog minder tot de verbeelding dan die van Schön, die een enkel laagje moleculen omtoverde tot transistoren, maar de Nederlandse wetenschappers kunnen hun resultaten tenminste werkelijk hard maken. 'Moleculaire elektronica waar je op kunt vertrouwen', schrijft Nature in de aankondiging van de publicatie, waarin iedere verwijzing naar Schön ontbreekt. Volgens Blom is die zin niet bedoeld om Schön een hak te zetten. Het gaat erom dat wij er voor het eerst in zijn geslaagd om op een eenvoudige en betrouwbare manier te meten wat de elektronische eigenschappen van dit soort moleculen zijn', zegt hij. Tot nu toe trad er altijd kortsluiting op als wetenschappers probeerden een enkele laag moleculen van contacten te voorzien. Door de verschillende meettechnieken zit er in de resultaten in publicaties tot nu toe een spreiding van wel zeven ordes van grootte.'

thiolen

Net als Schön maken Blom en promovendus Hylke Akkerman voor hun moleculaire elektronica gebruik van moleculen die aan het uiteinde zijn voorzien van thiolgroepen (verbindingen met zwavel en waterstof). De Nederlanders gebruikten eenvoudige ketens van koolstof met thiolen aan weerszijden (alkaanthiol).

Als deze moleculen worden uitgespreid op een oppervlak van goud binden de thiolen aan het goud. Ze gaan netjes naast elkaar recht overeind staan, als grassprietjes op een veld. De Groningse uitvinding betreft een laagje zeer goed geleidend plastic, aangebracht tussen het goud en het moleculaire gras. Dat laagje voorkomt de kortsluiting bij de koppeling tussen thiolen en het goud', zegt projectleider en co-auteur Bert de Boer. Kortsluiting was ook een van de problemen waar wetenschappers zoals Cees Dekker van de TU Delft op stuitten toen zij probeerden de resultaten van Jan Hendrik Schön te kopiëren. Bovenop het plastic komt opnieuw een laagje van het goed geleidende goud, waarmee een sandwich ontstaat waar een stroompje doorheen gestuurd kan worden.

contactpunten

Om erachter te komen hoe de diameter van een moleculair laagje samenhangt met de geleiding groeiden Blom en zijn collega's veldjes van alkaanthiol in gaatjes met een diameter van een duizendste tot een tiende millimeter (met de gouden 'contactpunten' daar bovenop, zie graphic hierboven). Zo'n gaatje is nog altijd groot genoeg om miljarden rechtopstaande alkaanthiolen te herbergen. Blom en zijn collega's vonden dat het laagje met een dikte van slechts een molecuul alkaanthiol (in principe een isolator) stroom doorlaat en dat deze stroom vrij regelmatig toeneemt naarmate de spanning tussen de goudelektroden wordt opgevoerd.

Blom: Amerikaanse collega's hebben eerder ook dit soort metingen verricht, maar dan aan veldjes met een vijf miljoen keer kleiner oppervlak. Die zijn moeilijker te maken en onbruikbaar voor de industriële productie van elektronische schakelingen. Met onze methode werkt meer dan 95 procent van de verbindingen. Dat betekent dat we laagjes van één molecuul dik betrouwbaar kunnen verbinden.'

Grote computer- en chipfabrikanten hebben in het afgelopen decennium geïnvesteerd in onderzoek naar moleculaire elektronica op basis van organische moleculen. De verwachting was dat computerchips waarin individuele moleculen de transistors vormen sneller en in de toekomst misschien ook goedkoper zouden zijn dan conventionele chips met schakelingen van silicium. Toch gelooft co-auteur Dago de Leeuw van Philips niet dat er ooit een moleculaire microprocessor gebouwd kan worden. Om dat te realiseren moet je moleculaire transistoren altijd nog verbinden. Het zijn juist deze verbindingen die op een computerchip ruimte opeisen.'

gouddraadjes

Wel is de techniek geschikt voor het maken van oprolbare beeldschermen of elektronica in kleding. Het laagje van een molecuul dik zou daarin meer of juist minder gaan geleiden, afhankelijk van een stroom in de gouddraadjes. Zo kan een logische een of nul worden weergegeven. We speculeren al decennia over de maffe devices die je zou kunnen maken als je lading kunt transporteren door een enkele laag moleculen', zegt De Leeuw. Nu is er eindelijk een techniek om ze ook echt te maken.'

Zeker is nu al dat voor de nieuwe toepassingen niet het isolerende alkaanthiol zal worden gebruikt dat Blom en zijn collega's nu hebben toegepast. In de toekomst willen zij de eenvoudige isolerende koolstof ketens vervangen door organische moleculen die beter stroom geleiden. We hebben een eenvoudig molecuul genomen waarvan de eigenschappen goed bekend zijn', zegt Blom. In de afgelopen jaren was iedereen argwanend geworden. Het was ook voor Nature belangrijk om resultaten te laten zien die exact passen in onze bestaande kennis over een molecuul.'

    • Michiel van Nieuwstadt