Un equipo de investigadores del Laboratorio de Berkeley y la Universidad de Columbia ha superado un hito importante en la electrónica molecular con la creación del diodo de molécula única de mayor rendimiento del mundo. Trabajando en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. El equipo utilizó una combinación de electrodos de oro y una solución iónica para crear un diodo de una sola molécula que supera al mejor de sus predecesores en un factor de 50.

"Con una sola molécula simétrica, una solución iónica y dos electrodos de oro de áreas de superficie expuestas dramáticamente diferentes, pudimos crear un diodo que resultó en una relación de rectificación, la relación de corriente directa a inversa a voltaje fijo, más de 200, que es un récord para dispositivos de una sola molécula, "dice Jeff Neaton, Director de la Fundición Molecular, un científico de la facultad senior de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de la Universidad de California Berkeley, y miembro del Instituto Kavli Energy Nanocience en Berkeley (Kavli ENSI).

"La asimetría necesaria para el comportamiento del diodo se origina con las diferentes áreas expuestas de los electrodos y la solución iónica, ", dice. Esto conduce a diferentes entornos electrostáticos que rodean los dos electrodos y un comportamiento superlativo del dispositivo de una sola molécula".

Con "más pequeño y más rápido" como el mantra impulsor de la industria electrónica, Los dispositivos de una sola molécula representan el límite máximo en la miniaturización electrónica. En 1974, Los pioneros de la electrónica molecular Mark Ratner y Arieh Aviram teorizaron que una molécula asimétrica podría actuar como rectificador, un conductor unidireccional de corriente eléctrica. Desde entonces, El desarrollo de dispositivos electrónicos funcionales de una sola molécula ha sido un objetivo importante con los diodos, uno de los componentes electrónicos más utilizados, en la parte superior de la lista.

Un diodo típico consiste en una unión p-n de silicio entre un par de electrodos (ánodo y cátodo) que sirve como la "válvula" de un circuito eléctrico, Dirigir el flujo de corriente al permitirle pasar en una sola dirección "hacia adelante". La asimetría de una unión p-n presenta a los electrones un entorno de transporte "encendido / apagado". Los científicos han creado previamente diodos de una sola molécula mediante la síntesis química de moléculas asimétricas especiales que son análogas a una unión p-n; o mediante el uso de moléculas simétricas con diferentes metales como los dos electrodos. Sin embargo, las uniones asimétricas resultantes produjeron bajas relaciones de rectificación, y corriente directa baja. Neaton y sus colegas de la Universidad de Columbia han descubierto una forma de abordar ambas deficiencias.

"El flujo de electrones a escalas de longitud molecular está dominado por la tunelización cuántica, "Neaton explica." La eficiencia del proceso de tunelización depende íntimamente del grado de alineación de los niveles de energía discretos de la molécula con el espectro continuo del electrodo. En un rectificador molecular, esta alineación se mejora para voltaje positivo, conduciendo a un aumento en la construcción de túneles, y se reduce para voltaje negativo. En Molecular Foundry, desarrollamos un enfoque para calcular con precisión la alineación del nivel de energía y la probabilidad de tunelización en uniones de una sola molécula. Este método nos permitió a mí y a Zhenfei Liu comprender cuantitativamente el comportamiento del diodo ".

En colaboración con Latha Venkataraman y Luis Campos de la Universidad de Columbia y sus respectivos grupos de investigación, Neaton y Liu fabricaron un rectificador de alto rendimiento a partir de uniones hechas de moléculas simétricas con resonancia molecular en alineación casi perfecta con los niveles de energía de electrones de Fermi de los electrodos de oro. La simetría se rompió por una diferencia sustancial en el tamaño del área de cada electrodo de oro que se expuso a la solución iónica. Debido a la zona asimétrica de los electrodos, la solución iónica, y la alineación del nivel de energía de la unión, un voltaje positivo aumenta la corriente sustancialmente; un voltaje negativo lo suprime igualmente significativamente.

"La solución iónica, combinado con la asimetría en las áreas de electrodos, nos permite controlar el entorno electrostático de la unión simplemente cambiando la polaridad de polarización, "Dice Neaton." Además de romper la simetría, Las capas dobles formadas por solución iónica también generan diferencias de dipolos en los dos electrodos, que es la razón subyacente detrás del desplazamiento asimétrico de la resonancia molecular. Los experimentos del grupo Columbia mostraron que con la misma configuración de molécula y electrodo, una solución no iónica no produce ninguna rectificación ".

El equipo de Berkeley Lab-Columbia University cree que su nuevo enfoque para un diodo de molécula única proporciona una ruta general para sintonizar fenómenos de dispositivos de nanoescala no lineales que podrían aplicarse a sistemas más allá de las uniones de una sola molécula y los dispositivos de dos terminales.

"Esperamos que la comprensión obtenida de este trabajo sea aplicable a la compuerta de líquido iónico en otros contextos, y mecanismos que se generalizarán a dispositivos fabricados con materiales bidimensionales, ", Dice Neaton." Más allá de los dispositivos, Estos diminutos circuitos moleculares son placas de Petri para revelar y diseñar nuevas rutas de carga y flujo de energía a nanoescala. Lo que me entusiasma de este campo es su naturaleza multidisciplinaria, la necesidad tanto de la física como de la química, y el fuerte acoplamiento beneficioso entre el experimento y la teoría.

"Con el creciente nivel de control experimental a nivel de una sola molécula, y mejoras en la comprensión teórica y la velocidad y precisión computacionales, estamos en la punta del iceberg con lo que podemos entender y controlar en estas escalas de pequeña longitud ".

Neaton, Venkataraman y Campos son los autores correspondientes de un artículo que describe esta investigación en Nanotecnología de la naturaleza . El artículo se titula "Diodos de una sola molécula con altas relaciones de rectificación mediante control ambiental". Otros coautores son Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma Dell, Zhen-Fei Liu y Jeffrey Taylor.