Snelle verbinding tussen licht en elektronica

RUG-chemicus Ryan Chiechi heeft een systeem gemaakt dat met behulp van licht binnen enkele picoseconden van lage naar hoge geleiding is te schakelen. Op termijn kan zo’n systeem met behulp van organische moleculen optische pulsen omzetten in elektrische signalen. Het onderzoek dat deze techniek demonstreert is op 8 juni gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Glasvezel is ideaal voor echt snel datatransport, maar je moet de lichtpulsen uiteindelijk wel vertalen in elektrische signalen waar je computer, tv of andere elektronica mee overweg kunnen. Dit gebeurt nu met behulp van halfgeleiders. De lichtpulsen slaan de halfgeleider aan, en de ladingsdrager die zo ontstaat diffundeert uit de schakeling, waarna detectie plaatsvindt.

‘Bij dit proces moeten dus ladingdragers ontstaan’, zegt Ryan Chiechi, associate professor in Chemie van (Bio)organische Materialen en Devices. De snelheid waarmee dit gebeurt hangt af van de dimensies van de schakelaar. Chiechi’s onderzoek kan een systeem opleveren dat de geleiding moduleert via een kwantummechanisch effect, tunneling, en niet zoals nu via het produceren van ladingsdragers.

Het onderzoek van Chiechi was overigens niet gericht op het bouwen van snellere internetverbindingen. ‘Ik ben geïnteresseerd in fundamentele eigenschappen van moleculen, zoals geleiding’, legt hij uit. ‘Maar ik werk wel graag met realistische systemen.’ De meeste collega’s van Chiechi onderzoeken moleculen in isolatie. ‘Je bestudeert een enkel molecuul dat zich bevindt tussen twee elektroden, met een gouden punt die niet dikker is dan een atoom. Maar op die manier kun je zo’n molecuul nooit langdurig bestuderen, want het zal op zeker moment weg diffunderen van de elektroden.’

Zo’n vier jaar geleden ontwikkelde hij een manier om stabiele systemen te maken waarmee het mogelijk is de eigenschappen van moleculen te onderzoeken. Simpel gezegd is het een enkele laag van het molecuul die tussen twee gouden elektroden zit. Met iets meer detail: Chiechi en zijn collega’s maken systemen die afmetingen op een schaal van nanometers, micrometers en millimeters combineren. Een instructievideo op de website van zijn groep laat zien hoe dit gebeurt.

Een typisch systeem bestaat uit gouden elektroden van enkele millimeters lang en ongeveer 100 bij 100 nanometer breed en hoog. Twee elektroden overlappen elkaar over een lengte van 250 tot 500 micrometer, en waar ze overlappen zijn ze gescheiden door de enkele laag van het te onderzoeken molecuul. Wanneer er een stroom door de elektroden gaat, levert dat Chiechi en zijn medewerkers informatie op over de geleiding van deze moleculen. ‘Dus in plaats van één enkel molecuul bestuderen wij een groot aantal moleculen tegelijk.’ Op deze manier zijn herhaalde metingen mogelijk van de moleculen in een systeem.

De moleculen die hij in het zojuist gepubliceerde artikel onderzocht zijn een lichtgevoelige kleurstof die is ontwikkeld voor gebruik in zonnecellen. Het artikel laat zien dat deze moleculen van laag- naar hoog geleidend gaan door ze eenvoudigweg met licht te beschijnen. ‘Moleculaire schakeling met licht is een bekend fenomeen, maar wat wij zagen was iets nieuws’, legt Chiechi uit. In een gewoon door licht te schakelen molecuul worden bindingen verbroken en gevormd terwijl de atomen zich herschikken. En in halfgeleiders zorgt licht ervoor dat er een ladingsdrager ontstaat die uit het systeem moet diffunderen om te worden gedetecteerd. Deze processen vergen relatief veel tijd en de snelheid is bovendien afhankelijk van de temperatuur.

‘Maar wat wij in ons systeem zagen was ‘photogating’: de geleiding van het molecuul verandert door een kwantummechanisch effect dat zorgt voor herverdeling van elektronen.’ Dit verloopt binnen picoseconden, wat tot wel een miljoen keer sneller kan zijn dan lichtschakelaars die werken door vormverandering van moleculen. ‘En bovendien is ons systeem niet temperatuurgevoelig.’

Het is de eerste keer dat een systeem gebaseerd op ‘photogating’ op moleculaire schaal is gemaakt. Daarmee is aangetoond dat het principe kan werken: het zou mogelijk moeten zijn een schakeling te ontwikkelen die langs deze weg lichtpulsen met hoge frequentie om zet in elektrische signalen. Anders gezegd, een schakelaar te bouwen die het optische signaal van een glasvezelkabel kan ‘vertalen’ voor gebruik in een computer op een manier die efficiënter is dan de huidige systemen.

Maar, waarschuwt Chiechi, het systeem dat hij heeft gebouwd staat nog mijlenver af van zo’n toepassing. ‘Mijn belangstelling ligt in de fundamentele processen die in deze moleculen plaatsvinden.’ Hij is al bezig met nieuwe experimenten, waarin hij de reactie van moleculen in een enkele laag wil onderzoeken met behulp van spectroscopie. ‘Ook dat kun je niet doen bij onderzoek aan individuele moleculen’, glimlacht hij.

Referentie: Parisa Pourhossein, Rateesh K. Vijayaraghavan, Stefan C.J. Meskers and Ryan C. Chiechi. Optical Modulation of Nano-gap Tunneling Junctions Comprising Self-Assembled Monolayers of Hemicyanine Dyes. Nature Communications 8 Juni 2016 DOI 10.1038/NCOMMS11749.