[논문 리뷰] Solid state molecular rectifier based on self organized metalloproteins

R. Rinaldi, Adriana Biasco외 8명|arXiv (Cornell University)|2002. 07. 29.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전자빔 리소그래피를 통해 나노스케일 전극 사이에 통합된 자가 조립 금속단백질, 특히 파란 구리 단백질 아자린(Az)을 사용하여 고체 상태 분자 정류기의 구현을 보여준다. 단백질의 내재된 산화환원 성질, 표면 전하 분포 및 자가 조립 능력 덕분에 실온에서 효율적인 정류 행동을 나타내며, 생체분자 기반 나노전자 소자의 발전에 중요한 계기를 마련한다.

ABSTRACT

Recently, great attention has been paid to the possibility of implementing hybrid electronic devices exploiting the self-assembling properties of single molecules. Impressive progress has been done in this field by using organic molecules and macromolecules. However, the use of biomolecules is of great interest because of their larger size (few nanometers) and of their intrinsic functional properties. Here, we show that electron-transfer proteins, such as the blue copper protein azurin (Az), can be used to fabricate biomolecular electronic devices exploiting their intrinsic redox properties, self assembly capability and surface charge distribution. The device implementation follows a bottom-up approach in which the self assembled protein layer interconnects nanoscale electrodes fabricated by electron beam lithography, and leads to efficient rectifying behavior at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 내재된 전자 기능성을 지닌 생물학적 분자를 이용한 분자 정류기 개발
• 아자린과 같은 금속단백질의 자가 조립 및 산화환원 성질을 활용하여 나노스케일 전자 소자를 바닥에서부터 조립하는 것
• 실온에서 고체 상태 장치 구조에서 효율적인 정류 행동을 달성하는 것
• 생체분자를 하이브리드 전자 시스템의 기능성 구성 요소로 사용할 수 있음을 입증하는 것

제안 방법

• 산화환원 성질과 표면 전하 분포가 잘 정의된 파란 구리 단백질 아자린(Az)을 활성 분자 성분으로 활용
• 기질에 아자린 분자를 자가 조립시켜 단층막을 형성하는 바닥에서부터 조립하는 방법
• 전자빔 리소그래피를 이용해 나노스케일 전극을 제작하여 분자 접합을 형성
• 자가 조립된 단백질 층을 전극 사이에 통합하여 기능성 정류 장치를 제작
• 전류-전압(I-V) 응답을 측정하고 정류 행동을 확인하기 위해 장치의 전기적 특성 분석 수행
• 분자 수준의 제어를 보장하고 계면 결함을 최소화하기 위해 바닥에서부터 조립하는 방법 사용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아자린과 같은 금속단백질이 고체 상태 장치에서 효과적인 분자 정류기로 기능할 수 있는가?
• RQ2 전극에 아자린이 자가 조립될 경우 실온에서 장치의 정류 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 아자린의 내재된 산화환원 성질과 표면 전하 분포가 정류에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 바닥에서부터 조립하는 공정이 생체분자를 이용한 재현 가능하고 안정적인 분자 전자 소자를 얻을 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 실온에서 효율적인 정류 행동을 보이며, 냉각 장치 없이도 실용적인 작동이 가능함을 입증함
• 자기 조립된 아자린 층이 나노스케일 전극을 효과적으로 연결하여 안정적인 분자 접합 형성을 가능하게 함
• 정류 행동은 단백질의 산화환원 활성, 표면 전하 비대칭성 및 제어된 자가 조립의 조합에 기인함
• 바닥에서부터 조립하는 방법이 생체분자를 기능성 전자 장치에 성공적으로 통합하여 재현 가능한 전기적 특성을 갖춘 장치를 제작함
• 장치는 실온 조건에서도 측정 가능한 정류를 보이며, 생체분자가 나노전자 분야에서 실현 가능함을 확인함