Un objetivo importante en el campo de la electrónica molecular, que tiene como objetivo utilizar moléculas individuales como componentes electrónicos, es hacer un dispositivo donde un cuantificado, Se puede lograr un flujo de carga controlable a temperatura ambiente. Un primer paso en este campo es que los investigadores demuestren que las moléculas individuales pueden funcionar como elementos de circuito reproducibles, como transistores o diodos, que pueden funcionar fácilmente a temperatura ambiente.

Un equipo dirigido por Latha Venkataraman, profesor de física aplicada y química en Columbia Engineering y Xavier Roy, profesor asistente de química (Artes y Ciencias), publicó un estudio en Nanotecnología de la naturaleza Este es el primero en demostrar de manera reproducible el bloqueo de corriente, la capacidad de cambiar un dispositivo del estado aislante al conductor en el que se agrega y elimina la carga un electrón a la vez, utilizando grupos moleculares atómicamente precisos a temperatura ambiente.

Bonnie Choi, estudiante de posgrado en el grupo Roy y coautor principal del trabajo, creó un solo grupo de átomos ordenados geométricamente con un núcleo inorgánico hecho de solo 14 átomos, lo que resultó en un diámetro de aproximadamente 0.5 nanómetros, y colocó enlazadores que conectaban el núcleo a dos electrodos de oro, tanto como se suelda una resistencia a dos electrodos metálicos para formar un circuito eléctrico macroscópico (por ejemplo, el filamento de una bombilla).

Los investigadores utilizaron una técnica de microscopio de túnel de barrido en la que han sido pioneros para hacer uniones que comprenden un solo grupo conectado a los dos electrodos de oro. lo que les permitió caracterizar su respuesta eléctrica a medida que variaban el voltaje de polarización aplicado. La técnica les permite fabricar y medir miles de uniones con características de transporte reproducibles.

"Descubrimos que estos grupos pueden funcionar muy bien como diodos a nanoescala a temperatura ambiente cuya respuesta eléctrica podemos adaptar cambiando su composición química, "dice Venkataraman". Teóricamente, un solo átomo es el límite más pequeño, pero los dispositivos de un solo átomo no se pueden fabricar y estabilizar a temperatura ambiente. Con estos grupos moleculares, tenemos un control completo sobre su estructura con precisión atómica y podemos cambiar la composición y estructura elemental de una manera controlable para provocar cierta respuesta eléctrica ".

Varios estudios han utilizado puntos cuánticos para producir efectos similares, pero debido a que los puntos son mucho más grandes y no tienen un tamaño uniforme, debido a la naturaleza de su síntesis, los resultados no han sido reproducibles:no todos los dispositivos hechos con puntos cuánticos se comportaron de la misma manera. El equipo de Venkataraman-Roy trabajó con grupos moleculares inorgánicos más pequeños que eran idénticos en forma y tamaño, de modo que sabían exactamente, hasta la escala atómica, lo que estaban midiendo.

"La mayoría de los otros estudios crearon dispositivos de una sola molécula que funcionaban como transistores de un solo electrón a cuatro grados Kelvin, pero para cualquier aplicación del mundo real, estos dispositivos deben funcionar a temperatura ambiente. Y los nuestros lo hacen "dice Giacomo Lovat, investigadora postdoctoral y coautora principal del artículo. "Hemos construido un transistor a escala molecular con múltiples estados y funcionalidades, en el que tenemos control sobre la cantidad precisa de carga que fluye. Es fascinante ver que los cambios químicos simples dentro de una molécula, puede tener una profunda influencia en la estructura electrónica de las moléculas, dando lugar a diferentes propiedades eléctricas ".

El equipo evaluó el rendimiento del diodo a través de la relación de encendido / apagado, que es la relación entre la corriente que fluye a través del dispositivo cuando está encendido y la corriente residual aún presente en su estado "apagado". A temperatura ambiente, observaron una relación de encendido / apagado de aproximadamente 600 en uniones de un solo grupo, más alto que cualquier otro dispositivo de molécula única medido hasta la fecha. Particularmente interesante fue el hecho de que estas uniones se caracterizaban por un modo "secuencial" de flujo de carga; cada electrón que transitaba a través de una unión de racimo se detuvo en el racimo por un tiempo. Generalmente, en uniones de moléculas pequeñas, los electrones "empujados" a través de la unión por la polarización aplicada dan el salto continuamente, de un electrodo al otro, de modo que el número de electrones de la molécula en cada instante de tiempo no está bien definido.

"Decimos que el clúster se 'carga' ya que, durante un breve intervalo de tiempo antes de que el electrón en tránsito salte al otro electrodo metálico, almacena un cargo extra, "dice Roy." Tan secuencial, o discreto, El modo de conducción se debe a la peculiar estructura electrónica del cúmulo que confina los electrones en orbitales fuertemente localizados. Estos orbitales también explican el régimen de "bloqueo de corriente" observado cuando se aplica un voltaje de polarización bajo a una unión de racimo. La corriente cae a un valor muy pequeño a bajo voltaje ya que los electrones en el contacto metálico no tienen suficiente energía para ocupar uno de los orbitales del grupo. A medida que aumenta el voltaje, el primer orbital del cúmulo que se vuelve energéticamente accesible abre una ruta viable para los electrones que ahora pueden saltar dentro y fuera del cúmulo, resultando en sucesivos eventos de "carga" y "descarga". Se levanta el bloqueo, y la corriente comienza a fluir a través del cruce ".

Los investigadores adaptaron los grupos para explorar el impacto del cambio de composición en la respuesta eléctrica de los grupos y planean basarse en su estudio inicial. Diseñarán sistemas de clúster mejorados con mejores rendimientos eléctricos (por ejemplo, mayor relación de corriente de encendido / apagado, diferentes estados accesibles), y aumentar el número de átomos en el núcleo del grupo mientras se mantiene la precisión atómica y la uniformidad del compuesto. Esto aumentaría el número de niveles de energía, cada uno correspondiente a una determinada órbita de electrones a la que pueden acceder con su ventana de voltaje. El aumento de los niveles de energía afectaría la relación de encendido / apagado del dispositivo, quizás también disminuyendo la potencia necesaria para encender el dispositivo si se vuelven accesibles más niveles de energía para los electrones en tránsito con voltajes de polarización bajos.

"La mayoría de las investigaciones de transporte de una sola molécula se han realizado en moléculas orgánicas simples porque es más fácil trabajar con ellas, "Observa Venkataraman." Nuestro esfuerzo de colaboración aquí a través de la Iniciativa Columbia Nano une la química y la física, permitiéndonos experimentar con nuevos compuestos, como estos grupos moleculares, que puede no solo ser más desafiante sintéticamente, pero también más interesantes como componentes eléctricos ".