Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional de Física (NPL) y la Universidad de Berna ha revelado una nueva forma de ajustar la funcionalidad de los dispositivos electrónicos moleculares de próxima generación que utilizan grafeno. Los resultados podrían aprovecharse para desarrollar dispositivos de mayor rendimiento para su uso en una variedad de aplicaciones, incluida la detección molecular, electrónica flexible, y conversión y almacenamiento de energía, así como configuraciones de medición robustas para estándares de resistencia.

El campo de la electrónica molecular a nanoescala tiene como objetivo explotar moléculas individuales como bloques de construcción para dispositivos electrónicos, para mejorar la funcionalidad y permitir a los desarrolladores lograr un nivel sin precedentes de miniaturización y control de dispositivos. El principal obstáculo que dificulta el progreso en este campo es la ausencia de contactos estables entre las moléculas y los metales utilizados que puedan operar a temperatura ambiente y proporcionar resultados reproducibles.

El grafeno posee no solo una excelente estabilidad mecánica, sino también propiedades conductoras térmicas y electrónicas excepcionalmente altas, lo que hace que el material 2-D emergente sea muy atractivo para una amplia gama de posibles aplicaciones en electrónica molecular.

Un equipo de experimentales de la Universidad de Berna y teóricos de NPL (Reino Unido) y de la Universidad del País Vasco (UPV / EHU, España), con la ayuda de colaboradores de la Universidad de Chuo (Japón), han demostrado la estabilidad de los dispositivos electrónicos moleculares multicapa basados ​​en grafeno hasta el límite de una sola molécula.

Los resultados, reportado en la revista Avances de la ciencia , representan un cambio importante en el desarrollo de la electrónica molecular basada en grafeno, con las propiedades reproducibles de los contactos covalentes entre moléculas y grafeno (incluso a temperatura ambiente) superando las limitaciones de las tecnologías actuales de vanguardia basadas en metales de acuñación.

Conectando moléculas individuales

La adsorción de moléculas específicas en dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno permite ajustar la funcionalidad del dispositivo, principalmente modificando su resistencia eléctrica. Sin embargo, Es difícil relacionar las propiedades generales del dispositivo con las propiedades de las moléculas individuales adsorbidas. ya que las cantidades promediadas no pueden identificar posibles variaciones grandes a través de la superficie del grafeno.

Dr. Alexander Rudnev y Dr. Veerabhadrarao Kaliginedi, del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Berna, realizó mediciones de la corriente eléctrica que fluye a través de moléculas individuales unidas a electrodos de grafito o grafeno multicapa utilizando una técnica experimental única de bajo ruido, lo que les permitió resolver estas variaciones de molécula a molécula.

Guiado por los cálculos teóricos del Dr. Ivan Rungger (NPL) y el Dr. Andrea Droghetti (UPV / EHU), demostraron que las variaciones en la superficie del grafito son muy pequeñas y que la naturaleza del contacto químico de una molécula con la capa superior de grafeno dicta la funcionalidad de los dispositivos electrónicos de una sola molécula.

"Descubrimos que al diseñar cuidadosamente el contacto químico de moléculas con materiales basados ​​en grafeno, podemos ajustar su funcionalidad, ", dijo el Dr. Rungger." Nuestros diodos de una sola molécula mostraron que la dirección de rectificación de la corriente eléctrica se puede cambiar cambiando la naturaleza del contacto químico de cada molécula, "añadió el Dr. Rudnev.

"Estamos seguros de que nuestros hallazgos representan un paso significativo hacia la explotación práctica de dispositivos electrónicos moleculares, y esperamos un cambio significativo en la dirección del campo de investigación siguiendo nuestro camino de enlace químico estable a temperatura ambiente, "resumió el Dr. Kaliginedi.

Los hallazgos también ayudarán a los investigadores que trabajan en la investigación de electrocatálisis y conversión de energía a diseñar interfaces grafeno / molécula en sus sistemas experimentales para mejorar la eficiencia del catalizador o dispositivo.