Estructuras autoensambladas, llamadas heterouniones, contienen moléculas de pentaceno ordenadas (púrpura) que se colocan en posición vertical sobre buckyballs (rojas) ordenadas sobre una superficie de cobre. El mapa medido (izquierda) muestra la relación de rectificación, que es una medida de la cantidad de corriente que fluye hacia adelante y hacia atrás. La heterounión tiene una relación de rectificación mucho mejor (inserción azul - línea doblada I (V)) medida que el pentaceno sin el búfer de buckyball (inserción roja a la izquierda - línea recta I (V)). Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Los circuitos se han vuelto más pequeños, dejar que las computadoras quepan en la palma de tu mano, pero ¿y si los circuitos pudieran ser tan pequeños como moléculas? Para crear tales circuitos, los científicos necesitan diodos moleculares que permitan que la corriente viaje en una dirección, pero no otro. Los diodos a base de carbono son prometedores, pero son sensibles a su entorno. No funcionan bien cuando encajan en dispositivos prácticos. Los científicos reestructuraron el diodo separando la región del tubo de electrones, hecho de una sola capa de pentaceno, de los electrodos metálicos. El amortiguador es una fina capa de diminutas bolas de carbono, o buckyballs. El nuevo diodo es 1, 000 veces más eficaz en la conducción de corriente en una dirección que en la otra.
Los científicos identificaron el mecanismo de Schottky molecular que permite que el diodo conduzca la electricidad en una dirección y no en la otra. Este mecanismo puede resultar ser una característica general de tales sistemas moleculares, y la capacidad de diseñarlo mediante la adición de una capa delgada puede tener implicaciones para la producción en masa de productos electrónicos de base molecular e innovaciones en células solares y ciertos fotovoltaicos orgánicos.
Más de cuarenta años después de la propuesta original de diodos moleculares orgánicos, el rendimiento eléctrico de tales dispositivos permanece varios órdenes de magnitud por debajo de sus homólogos inorgánicos. Una razón principal es que las moléculas son muy sensibles a su entorno inmediato, de modo que muchas de sus deseables propiedades eléctricas intrínsecas se pierden cuando se integran en dispositivos reales. Este trabajo supera tales problemas desacoplando la región del dispositivo activo hecha de una monocapa de pentaceno de los electrodos metálicos usando una capa tampón hecha de buckybolas metalizadas (C60).
Las interacciones inherentemente débiles entre C60 y pentaceno y el fuerte acoplamiento de C60 con cobre conducen a un sistema que recuerda a un diodo Schottky de 2 moléculas de espesor. con una rectificación de corriente comparable a las de mejor rendimiento en el campo de los diodos moleculares. Estos hallazgos abren la posibilidad de diseñar un comportamiento eléctrico no lineal en una escala de longitud nanométrica en optoelectrónica orgánica y fotovoltaica. Las capacidades de microscopía de túnel de escaneo en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) con preparación de la superficie bajo vacío ultra alto fueron fundamentales para construir y caracterizar estos sistemas autoensamblados a escala atómica. Con esta estructura determinada experimentalmente, Los cálculos sobre el clúster de computación de alto rendimiento del CNM desentrañaron la estructura electrónica y el mecanismo de transporte de la heterounión.
