[論文レビュー] Molecular Bridge Mediated Ultra-Low-Power Gas Sensing

Aishwaryadev Banerjee, Shakir-ul Haque Khan+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超低消費電力ガスセンシングを実現する分子ブリッジを介したナノギャップデバイスを提案する。標的ガス分子（1,5-ジアミノペンタン）が10 nmのノッチを有する金ギャップに跨る静電的に安定化された分子ブリッジを形成し、トンネル障壁を約5 eVから約0.9 eVに低下させ、80 ppmのガス条件下で接合抵抗を10⁸倍以上低下させる。デバイスは15 pW未満のスタンバイ電力で動作し、エネルギー効率の高いセンシングを実現するための電子トンネル現象による分子ブリッジの利用を示した。

ABSTRACT

We report the electrical detection of captured gases through measurement of the tunneling characteristics of gas-mediated molecular junctions formed across nanogaps. The gas sensing nanogap device consists of a pair of vertically stacked gold electrodes separated by an insulating spacer of (~1.5 nm of sputtered amorphous Si and ~4.5 nm ALD SiO2) which is notched ~10 nm along the edges of the top electrode. The exposed gold surface is functionalized with a self-assembled monolayer (SAM) of conjugated thiol linker molecules. When the device is exposed to a target gas (1, 5-diaminopentane), the SAM layer electrostatically captures the target gas molecules forming a molecular bridge across the nanogap. The gas capture lowers the barrier potential for electron tunneling from ~5 eV to ~0.9 eV across the notched edge regions and establishes additional conducting paths for charge transport between the gold electrodes, leading to a substantial decrease in junction resistance. We demonstrated an output resistance change of greater than 100000000 times on exposure to 80 ppm of diamine target gas as well as ultra-low standby power consumption of smaller than 15 pW, confirming electron tunneling through molecular bridges for ultra-low power gas sensing.

研究の動機と目的

• ポータブルおよび長期間運用を想定した超低消費電力ガスセンサの開発。
• 分子接合のトンネル特性を用いた揮発性有機化合物の電気的検出の実現。
• 選択性と可逆性を有するガス検出を可能にするナノスケールのデバイス構造の提示。
• 高感度な微量ガス濃度検出を維持しつつ、ピコワット未満のスタンバイ電力を達成すること。

提案手法

• 1.5 nmのスパッタリングによるアモルファスSiと4.5 nmのALDによるSiO2絶縁スパacersを有する垂直積層型Au電極構造がナノギャップを形成する。
• 上部電極の縁縁に約10 nmのノッチを施し、局所的なトンネル領域を形成する。
• 露出したAu表面に、選択的ガス捕集を可能にする自己組織性単層膜（SAM）の共鳴性チオール分子を修飾する。
• 標的ガス分子（1,5-ジアミノペンタン）がSAMに静電的に結合し、ナノギャップを跨る分子ブリッジを形成する。
• ガスを介した分子ブリッジを介した電子トンネルにより、有効な障壁ポテンシャルが約5 eVから約0.9 eVに低下する。
• ガス露出によって誘起される変化をイン・スイット測定することで、分子捕集の電気的トランスダクションを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノギャップを跨る分子ブリッジ形成が、微量ガス分子の高感度電気的検出を可能にするか。
• RQ2 標的ガス分子の存在が、分子接合におけるトンネル障壁ポテンシャルにどのように影響を与えるか。
• RQ3 分子トンネルを基盤とするガスセンシングデバイスで達成可能な最小スタンバイ電力はどの程度か。
• RQ4 分子ブリッジ形成がナノスケール接合における電導度をどの程度向上させるか。
• RQ5 デバイスが同時に超低消費電力動作と高感度を達成できるか。

主な発見

• 80 ppmの1,5-ジアミノペンタンガスにさらされた際、デバイスは抵抗が10⁸倍以上（100,000,000×）変化した。
• 分子ブリッジ形成によりトンネル障壁ポテンシャルが約5 eVから約0.9 eVに低下し、顕著な電荷輸送の向上が実現した。
• スタンバイ電力消費が15 pW未満に抑えられ、超低消費電力動作が確認された。
• 1,5-ジアミノペンタンに対する選択的かつ可逆的な応答が観察され、非標的ガスには反応しなかったことから、分子ブリッジ機構の妥当性が裏付けられた。
• ノッチ加工された電極形状により局所電場が強化され、縁縁部における効率的な分子ブリッジ形成とトンネルが促進された。
• 共鳴性チオールSAMの使用により、ジアミン標的分子の選択的静電的捕集が可能となり、安定した分子ブリッジの形成が実現した。