[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种分子桥介导的纳米间隙器件，用于超低功耗气体传感，其中目标气体分子（1,5-二氨基戊烷）在10 nm凹槽金结上形成静电稳定化的分子桥，使隧穿势垒从~5 eV降低至~0.9 eV，从而在80 ppm气体浓度下实现结电阻超过10⁸倍的降低。该器件实现亚15 pW待机功耗，展示了通过分子桥实现电子隧穿以实现能效传感的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种功耗极低的气体传感器，适用于便携式和长期应用。
• 通过分子结隧穿特性实现对挥发性有机化合物的电学检测。
• 展示一种基于分子桥形成实现选择性和可逆气体检测的纳米尺度器件架构。
• 在保持对痕量气体浓度高灵敏度的同时，实现亚皮瓦待机功耗。

提出的方法

• 采用垂直堆叠的金电极结构，其中1.5 nm溅射非晶硅和4.5 nm原子层沉积SiO2绝缘间隔层形成纳米间隙。
• 顶电极在其边缘处被刻蚀出约10 nm的凹槽，以形成局域隧穿区域。
• 暴露的金表面通过自组装单层（SAM）修饰，使用共轭硫醇分子以实现选择性气体捕获。
• 目标气体分子（1,5-二氨基戊烷）与SAM静电结合，在纳米间隙间形成分子桥。
• 通过气体介导的分子桥实现电子隧穿，使有效势垒降低从~5 eV至~0.9 eV。
• 在原位测量结电阻以检测气体暴露引起的电阻变化，从而实现分子捕获的电学转导。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纳米间隙中形成分子桥是否能够实现对痕量气体分子的高度灵敏电学检测？
• RQ2 目标气体分子的存在如何改变分子结中的隧穿势垒？
• RQ3 基于分子隧穿的气体传感器件可实现的最低待机功耗是多少？
• RQ4 分子桥的形成在多大程度上可增强纳米结的电导率？
• RQ5 该器件能否同时实现超低功耗运行和高灵敏度？

主要发现

• 器件在暴露于80 ppm 1,5-二氨基戊烷气体时，电阻变化超过10⁸倍（100,000,000×）。
• 由于分子桥的形成，隧穿势垒从~5 eV降低至~0.9 eV，显著增强了电荷输运。
• 器件实现待机功耗低于15 pW，证实了其超低功耗运行特性。
• 通过1,5-二氨基戊烷的选择性和可逆响应，证实了分子桥机制，且对非目标气体无响应。
• 凹槽电极结构增强了局域电场，促进了边缘区域的高效分子桥形成和隧穿。
• 使用共轭硫醇SAM实现了对二胺目标分子的选择性静电捕获，促进了稳定分子桥的形成。