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Department of Physics & Astronomy

[이혜민 학생/이탁희 교수] 자가조립 단분자막 기반 분자 접합의 형성 온도와 전기적 특성 사이의 상관관계 (ACS Nano 게재)

2025-10-10l 조회수 111

“Correlation between the electrical properties and formation temperature of self-assembled monolayer-based molecular junctions”

이 연구는 자가조립 단분자막(Self-assembled monolayer, SAM)을 이용한 분자 접합 구조에서 단분자막 형성 온도와 접합의 전기적 특성 사이의 상관관계를 분석한 연구로 ‘ACS Nano’ 지에 게재되었다. SAM 기반 분자전자소자는 저비용, 분자 합성을 통한 기능성 구현의 자유도 등의 장점을 가져 미래 세대 전자소자의 후보로 주목받으나, 소자의 전기적 특성의 편차가 크게 나타나는 점이 제한점으로 거론되어왔다. 본 연구는 SAM의 구조적 특성과 전기적 특성이 연관되어있을 것이라는 추측에 기반하여, SAM의 구조적 특성이 형성 온도에 크게 의존함에 주목, SAM의 형성 온도와 전기적 특성 사이의 상관관계를 확인하였다. 상대적으로 고온 환경에서 형성된 SAM은 구조적 질서가 향상되어 결함의 밀도가 감소하는 것이 주사전자현미경을 통해 관찰되었고, 이는 유효한 채널 개수의 증가를 만들어내어 SAM의 전기전도도가 증가함이 확인되었다. 또한, /SAM/그래핀 구조의 분자 접합에서, 상대적으로 저온에서 형성된 SAM이 구조적 결함이 증가함에 따라 전압-전류 관계의 선형성이 감소하고 비대칭성이 관찰되는 것을 밝혀내었다. 이는 결함이 많은 SAM에서 결함의 그래핀의 준금속 특성에 의해, 전압 방향에 다라 결함의 에너지 준위가 채워지는 정도에 차이가 발생, 분자 오비탈 준위가 변형되는 정도에 차이가 발생하기 때문인 것으로 밝혀졌다. 본 연구는 SAM 기반 전자소자의 합성 조건과 전기적 특성 사이의 관계를 밝힌 희귀한 연구로서, 분자 전자소자의 전기적 특성에서의 편차의 원인을 이해하고 제어할 수 있는 가능성을 제시한다.

Self-assembled monolayers (SAMs) of molecules have been reported to show improved structural quality when formed at elevated temperatures, but this effect has long been somewhat ignored in the field of molecular electronics. In this study, electrical measurements such as current-voltage characteristics were combined with scanning tunneling microscopy images to analyze the correlation between the SAM formation temperature and the resulting electrical properties of SAM junctions, using alkanethiol. Increasing the formation temperatures enhanced the conductance of SAM junctions, which is associated with the improved structural quality of SAMs with fewer defects and larger domains. Additionally, rectifying behavior was found to be related to the conductance of SAMs. A close examination of the current-voltage characteristics revealed that the rectification is due to an asymmetrical shift of highest occupied molecular orbital under bias. Defects in SAMs account for the rectification as well as its correlation with the conductance. Based on these observations, it was found that the formation temperature affects the electronic properties of SAM junctions by controlling defects. This study elucidates the causal relationship between the SAM formation process and the resulting electrical properties of SAM junctions.
 
Authors: Hyemin Lee, Haeri Kim, Donguk Kim, Jongwoo Nam, Minwoo Song, Hyun Sun Sung, Jaegeun Noh*, and Takhee Lee* (*co-corresponding authors)
 
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07611
Published online: October 4, 2025