Bajo la dirección de Latha Venkataraman, profesor asociado de física aplicada en Columbia Engineering, Los investigadores han diseñado una nueva técnica para crear un diodo de una sola molécula, y, al hacerlo, han desarrollado diodos moleculares que funcionan 50 veces mejor que todos los diseños anteriores. El grupo de Venkataraman es el primero en desarrollar un diodo de una sola molécula que puede tener aplicaciones tecnológicas del mundo real para dispositivos a nanoescala. Su papel "Diodos de una sola molécula con altas relaciones de encendido y apagado a través del control ambiental, "se publica el 25 de mayo en Nanotecnología de la naturaleza .

"Nuestro nuevo enfoque creó un diodo de una sola molécula que tiene un alto (> 250) rectificación y una alta corriente de "encendido" (~ 0,1 microamperios), ", dice Venkataraman." La construcción de un dispositivo donde los elementos activos son sólo una molécula ha sido durante mucho tiempo un sueño tentador en nanociencia. Esta meta, que ha sido el 'santo grial' de la electrónica molecular desde sus inicios con el artículo seminal de Aviram y Ratner de 1974, representa lo último en miniaturización funcional que se puede lograr para un dispositivo electrónico ".

Con los dispositivos electrónicos cada día más pequeños, el campo de la electrónica molecular se ha vuelto cada vez más crítico para resolver el problema de una mayor miniaturización, y las moléculas individuales representan el límite de miniaturización. La idea de crear un diodo de una sola molécula fue sugerida por Arieh Aviram y Mark Ratner, quienes teorizaron en 1974 que una molécula podría actuar como rectificador. un conductor unidireccional de corriente eléctrica. Desde entonces, los investigadores han estado explorando las propiedades de transporte de carga de las moléculas. Han demostrado que las moléculas individuales unidas a electrodos metálicos (uniones de una sola molécula) pueden actuar como una variedad de elementos de circuito, incluyendo resistencias, interruptores transistores, y, Por supuesto, diodos. Han aprendido que es posible ver efectos de la mecánica cuántica, como interferencia, se manifiesta en las propiedades de conductancia de las uniones moleculares.

Dado que un diodo actúa como una válvula eléctrica, su estructura debe ser asimétrica para que la electricidad que fluye en una dirección experimente un entorno diferente al de la electricidad que fluye en la otra dirección. Para desarrollar un diodo de una sola molécula, los investigadores simplemente han diseñado moléculas que tienen estructuras asimétricas.

"Si bien estas moléculas asimétricas de hecho muestran algunas propiedades similares a los diodos, no son efectivos, "explica Brian Capozzi, estudiante de doctorado que trabaja con Venkataraman y autor principal del artículo. "Un diodo bien diseñado solo debe permitir que la corriente fluya en una dirección, la dirección de 'encendido', y debe permitir que fluya mucha corriente en esa dirección. Los diseños moleculares asimétricos generalmente han sufrido un flujo de corriente muy bajo en ambos ' direcciones de encendido y apagado, y la relación de flujo de corriente en los dos ha sido típicamente baja. Idealmente, la relación entre la corriente 'encendida' y la corriente 'apagada', la relación de rectificación, debe ser muy alto ".

Para superar los problemas asociados con el diseño molecular asimétrico, Venkataraman y sus colegas —el grupo del profesor asistente de química Luis Campos en Columbia y el grupo de Jeffrey Neaton en Molecular Foundry en UC Berkeley— se enfocaron en desarrollar una asimetría en el ambiente alrededor de la unión molecular. Crearon una asimetría ambiental a través de un método bastante simple:rodearon la molécula activa con una solución iónica y usaron electrodos de metal dorado de diferentes tamaños para contactar la molécula.

Sus resultados lograron relaciones de rectificación de hasta 250:50 veces más altas que los diseños anteriores. El flujo de corriente "encendido" en sus dispositivos puede ser de más de 0,1 microamperios, cuales, Venkataraman señala, es mucha corriente que pasa a través de una sola molécula. Y, porque esta nueva técnica se implementa tan fácilmente, se puede aplicar a todos los dispositivos a nanoescala de todo tipo, incluidos los que están hechos con electrodos de grafeno.

"Es asombroso poder diseñar un circuito molecular, utilizando conceptos de la química y la física, y que haga algo funcional, "Dice Venkataraman." La escala de longitud es tan pequeña que los efectos de la mecánica cuántica son absolutamente un aspecto crucial del dispositivo. Así que es realmente un triunfo poder crear algo que nunca podrás ver físicamente y que se comporta como se esperaba ".

Ella y su equipo ahora están trabajando para comprender la física fundamental detrás de su descubrimiento, y tratando de aumentar los ratios de rectificación que observaron, utilizando nuevos sistemas moleculares.