Los físicos de NUS han descubierto que las complejas interacciones electrón-electrón cambian los niveles de energía en las interfaces molécula-metal, que afectan el rendimiento de los dispositivos electrónicos moleculares.

La electrónica molecular implica el uso de moléculas como el bloque de construcción principal para crear los circuitos electrónicos. Potencialmente, se puede utilizar para desarrollar circuitos que son mucho más pequeños que los fabricados con procesos de silicio convencionales. Comprender las propiedades electrónicas de la interfaz entre las moléculas y los conductores metálicos, particularmente sus niveles de energía asociados, es importante para racionalizar y optimizar el rendimiento del dispositivo. Esto es fundamental para el desarrollo de la electrónica molecular.

Una propiedad fundamental de cada molécula es su brecha de energía, definido como la diferencia de energía entre el nivel de energía orbital más alto y más bajo ocupado y desocupado por electrones, respectivamente. Estos niveles también son los niveles de energía más importantes para el rendimiento del dispositivo. La brecha de energía de una molécula se vuelve más pequeña cuando la molécula se acerca a una superficie metálica; esto facilitará que los portadores de carga se muevan entre la molécula y el contacto del metal. Este cambio en la brecha se debe principalmente a los efectos de la pantalla electrónica de la superficie del metal, y puede ser tan grande como varios electronvoltios. Sin embargo, este efecto de cribado electrónico falta en la mayoría de los estudios teóricos sobre este tema.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Su Ying QUEK, del Departamento de Física, NUS ha dilucidado las propiedades de la estructura electrónica de la interfaz para una serie de moléculas diferentes en superficies de oro utilizando métodos teóricos y computacionales de última generación que tienen en cuenta explícitamente los efectos de detección electrónica de los primeros principios. Los investigadores llevaron a cabo cálculos en sistemas moleculares anclados por grupos funcionales químicos comunes (amina, grupos piridina y tiolato). El equipo de investigación descubrió que para una sola molécula, el efecto de pantalla electrónica se puede predecir con precisión a partir de un modelo de carga de imagen, incluso en presencia de enlaces químicos. El modelo de carga de imagen es un método electrostático clásico que se aproxima al apantallamiento electrónico de una carga de prueba mediante una carga de imagen en el metal. Sin embargo, en dispositivos con muchas moléculas, los investigadores encontraron importantes mecanismos de detección electrónicos adicionales. Además de los efectos de cribado intermolecular, También se ha descubierto que las interacciones intermoleculares mediadas por sustrato contribuyen a estos mecanismos de detección adicionales. Los hallazgos sugieren que los portadores de carga pueden hacer un túnel más fácilmente a través de la interfaz en dispositivos con muchas moléculas.

El profesor Quek dijo:"Este trabajo proporciona información valiosa sobre los muchos efectos de los electrones en las interfaces molécula-metal que involucran enlaces químicos. Los resultados y hallazgos de esta investigación constituyen un paso importante hacia la comprensión y manipulación de sistemas orgánicos funcionales en el desarrollo de dispositivos moleculares".