Muoti-ilmiöitä: molekyylielektroniikka

Vierailin kesäkuun alussa Leidenin yliopistossa. Siellä toimii yksi ainakin Euroopan parhaista molekyylielektroniikan kokeellisista tutkimusryhmistä. Minäkin tein alalla tutkimusta jonkin aikaa muutama vuosi sitten, joten oli mukava saada päivitys alan tilanteeseen.

Molekyylielektroniikassa ideana on tutkia sähkönkuljetusta yksittäisten tyypillisesti melko pienten molekyylien läpi. Hiilen nanoputketkin voidaan periaatteessa ajatella molekyyleiksi, ja joissain tapauksissa niidenkin tutkimus luokitellaan molekyylielektroniikkaan. Minä jätän kuitenkin ne omaksi alakseen ja kirjoitan kokeista joissa molekyylit ovat korkeintaan muutaman nanometrin kokoisia - esimerkiksi fullereeneja (hiilen pallomaisia rakenteita), bentseenirenkaita tai vaikkapa vetymolekyylejä.Tekniikoita on useita ja alalla on tätä kautta useita suuntauksia. Yksi olennainen kysymys on se miten molekyyliin saadaan kytkettyä sellaiset suuret johtimet joiden kautta sähkö saadaan ajettua molekyylien läpi. Tässä tapauksessa kaksi tekniikkaa on ylitse muiden: murtoliitokset ja sähkömigraatio (en tiedä mitä electromigration on suomeksi). Murtoliitoksen tapauksessa tehdään joillain keinoin melko ohut johdelanka, jota sitten työnnetään ylöspäin terävällä kappaleella. Ensin lanka hieman joustaa, mutta pian se alkaa murtua yleensä siis heikoimmasta kohdastaan. Kun samaan aikaan mitataan langan vastusta, tiedetään koska lanka on murtunut siten että sähkö virtaa vain yksittäisten johdinatomien läpi. Nyt sitten johtimen päälle tuodaan molekyylit, joko höyrystämällä tai sitten liuoksessa, riippuen mm. siitä aiotaanko johtavuutta mitata huoneen lämpötilassa vai muutamassa Kelvinissä. Neljässä kelvinissä kun mikään liuos ei enää ole liuos - paitsi tietenkin helium, joka tällöin nesteytyy. Siihen ei kuitenkaan liukene mitään.

Elektromigraatiossa aloitetaan myös ohuesta langasta, mutta tällöin sen yli asetetaan suuri vaihtojännite. Tämä kuumentaa lankaa ja tuloksena se taasen katkeaa yleensä ohuimmasta kohdastaan. Elektromigraation etuna on se ettei langan työntämiseen tarvittavaa laitetta tarvita ja siten esim. mittaukset kylmässä ovat helpompia. Haittapuolia ovat sitten esim. se ettei johtimen muotoa voi enää muuttaa, ja - vielä vakavampana - usein luultujen molekyylien sijaan kokeilija tuleekin mitanneeksi sähkönkuljetusta elektromigraatiossa irronneiden johdeatomien läpi. 1990/2000-luvun vaihteessa julkaistiin useita sellaisia Nature- ja Science-artikkeleita, joissa tulkittiin mittaustulokset väärin. Molekyylin sijaan mitattiin siis itse johdetta.

No, ylläkuvaillut tekniikat kuitenkin myös toimivat. Johtavuus rajoittuu yksittäisen molekyylin johtavuudesta. Alun perin ideana alalla oli se että johtavuuden - tai tarkemmin ottaen virta-jännitekäyrän - perusteella voitaisiin sitten tunnistaa kyseinen molekyyli. Tällaista nopeaa molekyylitunnistusta voisi sitten käyttää vaikka mihin - esimerkiksi lääketieteessä. Tässä suhteessa molekyylielektroniikassa on kuitenkin jouduttu pettymään. Kun pieni molekyyli kiinnittyy johdinatomeihin, sen ominaisuudet muuttuvat voimakkaasti kytkennän ansiosta. Johtavuus saattaa myös riippua molekyyliin kiinnitetyn johdemateriaalin mikroskooppisista ominaisuuksista. Toistettavia tuloksia on siis hankala saada, ja yleensä saatavat tulokset eivät ole kovin molekyylispesifisiä. Pitkien molekyylien tapauksessa saattaa olla että jos johtavuus on äärellistä, se joko rajoittuu taasen molekyyli-johdinkytkennästä joka on hieman tapausriippuvainen, tai sitten kuljetusta dominoi Coulombin saartoilmiö, jonka luonnetta ei voida suoraan kytkeä eristetyn molekyylin ominaisuuksiin.

Joitain mielenkiintoisia ja molekyylispesifistä on kuitenkin havaittu jo muutama vuosi sitten. Juuri Leidenin tutkijat osoittivat, että virta-jännitekäyrään tulee piikki molekyylin ominaisvärähtelyjen taajuutta vastaavan energian kohdalle. Nuo ominaisvärähtelyt riippuvat molekyylin muodosta ja massasta, eli ne periaatteessa paljastavat molekyylistä aika paljon enemmän kuin puhdas johtavuus. Vetymolekyylistä on mm. mitattu isotooppiefekti, eli ominaisvärähtelytaajuus oli deuteriumin (jolla vetyatomin ytimessä on yksi protoni ja yksi neutroni tavallisen yksiprotonivedyn sijaan) tapauksessa erilainen kuin tavallisen yksiprotonivedyn. Ero johtui yksinomaan deuteriumin suuremmasta massasta. Värähtelytaajuuksia analysoimalla molekyyliä voidaan siis osittain tunnistaa. Homma kuitenkin epäonnistuu isojen molekyylien tapauksessa - värähtelytaajuuksia kun tulee liikaa eivätkä ne enää erotu toisistaan.

2000-luvun alun alkuinnostuksen jälkeen molekyylielektroniikka on ehkäpä hieman hiipunut, mutta kyllä siellä paljon hienoja tuloksia on saatu. Minulle teoreetikkona ala on kuitenkin hieman tylsä: kvalitatiivisesti kuljetusilmiöt vaikuttavat hyvin samanlaisilta kuin puolijohdekvanttipisteissä joiden kuljetusominaisuuksia on tutkittu intensiivisesti 1980-luvulta lähtien. Suuria kvalitatiivisia läpimurtoja on siis erittäin hankala tehdä. Olennaisimmat avoimet kysymykset ovat vahvan kytkennän rajan ja Coulombin saartoalueen yhdistäminen sekä tiheysfunktionaaliteorian tai vastaavan ainetta "alusta lähtien" kuvaavan teorian kytkeminen kunnolla elektronikuljetusteoriaan. Ongelmana jälkimmäisessä on se, että vaikka teoria yleisesti ottaen mielletään "ab initio"-tyyppiseksi, kuljetusongelmaa ratkaistaessa tehdään monta ad hoc. oletusta, joille ei ole kovin paljoa perusteita.

Leidenin tutkijoiden mukaan muuten yksi mielenkiintoisimmista tulevaisuuden tutkimusaiheista on yksi lempiaiheeni, lämpötroniikka liittyen molekyylikuljetukseen. Toisin sanoen mielenkiintoista on tietää minkälaisia ominaisuuksia epätasapainotilanteessa johtavuuselektroneilla on - esimerkiksi missä tilanteissa voidaan puhua niiden lämpötilasta. Itse asiassa epätasapainosysteemeissä on yleensä useita olennaisia lämpötiloja - elektronien, fononien, kohinan jne. Mutta tästä joskus myöhemmin.