Interstitially Mixed Self-Assembled Monolayers Enhance Electrical Stability of Molecular Junctions


- 극도로 높은 전압을 견딜 수 있는 자가 조립 단분막 시스템 개발 (Nano Lett. 2021, 21, 3162, IF: 11.189)

 


초록

Electrical breakdown is a critical problem in electronics. In molecular electronics, it becomes more problematic because ultrathin molecular monolayers have delicate and defective structures and exhibit intrinsically low breakdown voltages, which limit device performances. Here, we show that interstitially mixed self-assembled monolayers (imSAMs) remarkably enhance electrical stability of molecular-scale electronic devices without deteriorating function and reliability. The SAM of the sterically bulky matrix (S(C1)1BIPY rectifier) molecule is diluted with a skinny reinforcement (SCn) molecule via the new approach, so-called repeated surface exchange of molecules (ReSEM). Combined experiments and simulations reveal that the ReSEM yields imSAMs wherein interstices between the matrix molecules are filled with the reinforcement molecules and leads to significantly enhanced breakdown voltage inaccessible by traditional pure or mixed SAMs. Thanks to this, bias-driven disappearance and inversion of rectification is unprecedentedly observed. Our work may help to overcome the shortcoming of SAM's instability and expand the functionalities.





본 연구에서는, 인가되는 전압의 크기에 따라 정류비의 극성 및 크기가 변화하는 새로운 다이오드 특징을 발견하였음. 극도로 얇은(<3 nm) 유기 단분자 박막(self-assembled monolayer: SAM)은 구조적 결함으로 인해 대개 1.0 V 내외의 전압만 구동 가능함. 틈새형 합금(interstitial alloy)개념을 활용하여 최대 3.3 V까지 구동 가능한 SAM 제작 방법을 개발하였고 기존에는 분석할 수 없었던 고전압에서의 다이오드 분자의 전하 이동을 조사한 결과, 3.0 V에서 정류 극성 반전 현상을 발견하였음. 이는 향후 분자 기반의 신규 양방향성 다이오드 개발에 활용될 것으로 사료되며 기존의 실리콘 기반 전자 분야에서는 물론 분자 전자학에서 조차 존재하지 않았던 새로운 개념으로써 반도체 산업에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이라 사료됨.


DOI : 10.1021/acs.nanolett.1c00406