Un equipo internacional de físicos ha utilizado un microscopio de efecto túnel para crear un transistor diminuto que consta de una sola molécula y una pequeña cantidad de átomos. La acción del transistor observada es marcadamente diferente del comportamiento esperado convencionalmente y podría ser importante para futuras tecnologías de dispositivos, así como para estudios fundamentales del transporte de electrones en nanoestructuras moleculares. Los físicos representan al Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) y al Freie Universität Berlin (FUB), Alemania, los Laboratorios de Investigación Básica de NTT (NTT-BRL), Japón, y el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL). Sus hallazgos completos se publican en la edición del 13 de julio de 2015 de la revista. Física de la naturaleza .

Los transistores tienen una región de canal entre dos contactos externos y un electrodo de puerta eléctrica para modular el flujo de corriente a través del canal. En transistores de escala atómica, esta corriente es extremadamente sensible a los saltos de electrones individuales a través de niveles de energía discretos. En estudios anteriores, Los investigadores han examinado el transporte de un solo electrón en transistores moleculares utilizando enfoques de arriba hacia abajo, como la litografía y las uniones rotas. Pero el control atómicamente preciso de la puerta, que es crucial para la acción del transistor en las escalas de tamaño más pequeñas, no es posible con estos enfoques.

El equipo utilizó un microscopio de efecto túnel de barrido (STM) altamente estable para crear un transistor que consta de una sola molécula orgánica y átomos metálicos cargados positivamente. colocándolos con la punta STM en la superficie de un cristal de arseniuro de indio (InAs). Dr. Kiyoshi Kanisawa, un físico en NTT-BRL, utilizó la técnica de crecimiento de la epitaxia de haz molecular para preparar esta superficie. Después, El enfoque STM permitió a los investigadores ensamblar puertas eléctricas de los átomos cargados +1 con precisión atómica y luego colocar la molécula en varias posiciones deseadas cerca de las puertas. Dr. Stefan Fölsch, un físico del PDI que dirigió el equipo, explicó que "la molécula sólo está unida débilmente a la plantilla de InAs. Por lo tanto, cuando acercamos mucho la punta del STM a la molécula y aplicamos un voltaje de polarización a la unión punta-muestra, electrones individuales pueden hacer un túnel entre la plantilla y la punta saltando a través de orbitales moleculares casi imperturbables, similar al principio de funcionamiento de un punto cuántico activado por un electrodo externo. En nuestro caso, los átomos cargados cercanos proporcionan el potencial de la puerta electrostática que regula el flujo de electrones y el estado de carga de la molécula ".

Pero existe una diferencia sustancial entre un punto cuántico semiconductor convencional —que comprende típicamente cientos o miles de átomos— y el caso actual de una molécula unida a la superficie. Dr. Steven Erwin, un físico en el Centro de Ciencia de Materiales Computacionales en NRL y experto en teoría funcional de la densidad, señaló eso, "la molécula adopta diferentes orientaciones de rotación, dependiendo de su estado de carga. Predijimos esto basándonos en los cálculos de los primeros principios y lo confirmamos obteniendo imágenes de la molécula con el STM ".

Este acoplamiento entre carga y orientación tiene un efecto dramático en el flujo de electrones a través de la molécula, manifestado por una gran brecha de conductancia a bajos voltajes de polarización. Dr. Piet Brouwer, físico de la FUB y experto en teoría del transporte cuántico, dijo, "Este comportamiento intrigante va más allá de la imagen establecida del transporte de carga a través de un punto cuántico cerrado. En cambio, desarrollamos un modelo genérico que da cuenta de la dinámica electrónica y de orientación acoplada de la molécula. "Este modelo simple y físicamente transparente reproduce por completo las características del transistor de una sola molécula observadas experimentalmente.

La perfección y la reproducibilidad que ofrecen estos transistores generados por STM permitirán a los investigadores explorar procesos elementales que involucran el flujo de corriente a través de moléculas individuales a un nivel fundamental. Comprender y controlar estos procesos, y los nuevos tipos de comportamiento a los que pueden conducir, será importante para integrar dispositivos basados ​​en moléculas con tecnologías de semiconductores existentes.