[김동욱 학생/강기훈 교수(재료공학부)/이탁희 교수] 깊은 오비탈 레벨을 갖는 수직형 분자 트랜지스터의 향상된 게이팅 효율성 (Science Advances 논문 게재)
“Enhanced gating efficiency in vertical mixed molecular transistors with deep orbital level”
분자 트랜지스터에서 자가조립 단분자층을 이용하여 게이팅 효율성을 향상시킨 연구가 ‘Science Advances’ 지에 게재되었다. 분자전자소자, 특히 분자 트랜지스터는 게이트 전압으로 분자 오비탈 (에너지 준위)을 조절해 전류 특성을 제어하는 원리로 작동한다. 그러나 지금까지는 소자의 불안정성과 낮은 게이트 효율로 오비탈 변화 폭이 제한되어 주로 방향족(aromatic) 분자에만 연구되어 왔다. 이번 연구에서 본 연구팀은 혼합 자기조립단분자층(Self-assembled monolayer, SAM)을 채택한 수직형 분자 트랜지스터를 설계하고 구현하였다. 금 전극–혼합 SAM–그래핀 전극으로 이루어진 수직 분자소자 구조 위에 이온젤(ion gel)을 도포하여 게이트 역할을 할 수 있도록 제작하였다. 분자 길이가 긴 16‑mercapto hexadecanoic acid (16 MHDA)와 짧은 dodecanethiol을 섞어 만든 혼합 SAM은 수 볼트의 전압에도 안정성을 유지하여, 16 MHDA 한 가지 분자만으로 된 소자의 ~1.3 V 항복 전압을 ~2.4 V까지 끌어올렸다. 그 덕분에 게이트 전압을 변화시킬 때 직접 터널링(direct tunneling)에서 Fowler–Nordheim 터널링으로 전환되는 것이 관찰됐고 상온에서 정상적인 분자 트랜지스터 작동 특성을 확인하였다. 또한 서로 반대인 분자 쌍극자가 부분적으로 상쇄되어 그래핀의 전기장 차폐(screening)가 약화되면서 오비탈 게이팅 효율도 50 % 이상 향상됐다. 이를 통해 연구팀은 깊은 오비탈 레벨을 지닌 분자의 혼합형 수직 트랜지스터가 보다 안정적, 효율적으로 구동할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
The advancement of molecular junction transistors relies heavily on precise modulation of molecular orbitals, yet this is hindered by a limited transmission window and reduced bias stability, which typically restricts the range of active channel molecules adopted to those with orbital levels near Fermi level of the contacts. In this study, we demonstrate an effective orbital gating of prototypical alkanethiol-based molecules with deeper orbital levels in vertical large-area mixed self-assembled monolayers (SAMs) configuration that offers enhanced electrical bias stability and gating efficiency. By employing ion gel gating in Au-molecule-graphene junction, the channel conductance could be modulated significantly according to a clear transition from direct tunneling to Fowler-Nordheim tunneling regime. The mixed SAM molecular transistors also showed a superior gating efficiency due to the suppressed field screening effect by the net molecular dipole. This work is expected to contribute towards developing reliable three-terminal molecular device platform extended to molecules with deep orbital levels.
Authors: Donguk Kim, Hyemin Lee, Minwoo Song, Jongwoo Nam, Changjun Lee, Jaeyong Woo, Juntae Jang, Minsu Jeong, Hyeonwoo Yeo, Ryong-Gyu Lee, Eunje Park, Hyeonmin Choi, Yong-Hoon Kim*, Keehoon Kang* & Takhee Lee*(*co-corresponding authors)
Science Advances, 11, eadt3603 (2025)
DOI: DOI: 10.1126/sciadv.adt3603
Published online: 18 Jun 2025