Nuestra comprensión de la electrónica de una sola molécula se ha vuelto más clara y la respuesta involucró el uso de un artículo doméstico común:la sal.

Partiendo de un artículo anterior de 2009, donde los científicos y colaboradores de IBM demostraron la capacidad de medir el estado de carga de átomos individuales utilizando microscopía de fuerza atómica sin contacto (AFM), ahora han dado un paso más, medir los niveles de energía de moléculas individuales en aisladores, por primera vez. La investigación aparece hoy en la revista de revisión por pares. Nanotecnología de la naturaleza .

Inventado a mediados de la década de 1980, el microscopio de fuerza atómica mide fuerzas minúsculas entre la punta y la muestra, como una molécula sobre un soporte. La punta es multiusos, instrumento preciso, que puede obtener imágenes de moléculas con una resolución sin precedentes e incluso desencadenar reacciones moleculares nunca antes vistas.

Electrónica de escala

Si alguna vez ha abierto algún tipo de dispositivo electrónico, como una PC o incluso un despertador digital, habría descubierto lo que se conoce como placa de circuito impreso (PCB). Estos pizarrones normalmente verdes parecen mapas que muestran todos los componentes electrónicos del dispositivo, incluso, lo que se conoce como conducción de pistas. Estas pistas llevan corriente eléctrica, como las vías del tren, en todo el tablero para que el dispositivo pueda funcionar. Las placas también incluyen capas aislantes que protegen las pistas de las fugas de corriente. Sin estas capas incluso los dispositivos electrónicos pequeños requerirían más energía para funcionar.

Al evaluar los componentes básicos de esa misma PC o reloj, pero en electrónica molecular, veríamos una configuración similar con moléculas individuales como pistas conductoras y electrones individuales que se transfieren desde las moléculas. Mientras que la capa aislante es útil en la PCB, el substrato aislante subyacente similar, a esta escala, tiene otros efectos que deben tenerse en cuenta.

"Al cargar una molécula en un aislante, los átomos de la molécula se relajarán para acomodar esta carga adicional y, lo que es más importante, también lo harán los núcleos en el aislante. Dado que la molécula está encima de un aislante, la caracterización electrónica de dicho sistema es muy difícil ", dijo Shadi Fatayer, un predoctorado en IBM Research y el primer autor del artículo.

Él añade, "Este cambio en la posición de los átomos afecta sus niveles de energía, que tiene efectos drásticos en términos de transferir un solo electrón entre moléculas. La tasa de transferencia de electrones podría ajustarse para variar varios órdenes de magnitud ".

El equipo de científicos de IBM, Universidad de Liverpool, La Universidad Chalmers y la Universidad de Regensburg probaron un enfoque diferente para abordar este problema.

Primero cultivaron multicapas de NaCl, también conocido como cloruro de sodio o sal, sirviendo como material aislante, sobre un sustrato metálico. Tal sistema permite que las moléculas que se absorben en la parte superior tengan sus estados de carga estables y desacoplados de la superficie del metal.

Luego, el equipo reflexionó:"¿Cómo medimos las energías de reorganización?" Experimentalmente, se hace con moléculas en solución, con moléculas encima de un metal, pero hasta ahora no había una técnica que permitiera investigar moléculas individuales sobre un aislante.

Su enfoque único consiste en emplear el AFM y electrones individuales. Se utilizan electrones individuales para sondear las transiciones de estado de carga de dos estados de carga definidos en ambas direcciones. En el experimento, los científicos prueban su método en una sola molécula de naftalocianina.

Como se publicó anteriormente, los autores sabían que podían utilizar de forma fiable el AFM para medir diferentes estados de carga sobre un aislante ultrafino con sensibilidad a un solo electrón. También demostraron recientemente la obtención de imágenes de moléculas cargadas de manera estable, así como la transferencia de electrones individuales entre moléculas en la parte superior de un aislante más grueso. Sin embargo, la capacidad de medir energías de reorganización requiere medir los niveles de energía correspondientes a transiciones de estado de carga particulares.

"Antes de este trabajo, sabíamos medir la corriente eléctrica a través de la molécula. Sin embargo, esto solo funcionó en una dirección para un orbital dado. Cuando pudimos medir la energía para unir un electrón a un orbital determinado, nunca podríamos medir la energía para eliminar un electrón de ese orbital y viceversa. La capacidad de medir en ambas direcciones - esto faltaba, ", dijo el físico de IBM Leo Gross." Con nuestro método AFM, medimos los niveles de energía en ambas direcciones de cambio de estado de carga en un sustrato de película delgada. Pero es un trabajo increíblemente exigente que se ocupa de señales muy débiles, lo que significa que se necesitan muchas mediciones cuidadosas para realizar un análisis estadístico adecuado ".

Él añade, "Con esta nueva metodología, usamos la punta y la fuerza ejercida sobre la punta para contar electrones individuales. Ajustamos la altura y el voltaje de la punta y luego contamos el tiempo que tarda el electrón en llegar a (o desde) la punta y de ahí se pueden obtener los niveles de energía ".

"Nuestro mayor desafío se debió a que la punta estaba más lejos de lo normal para medir adecuadamente los eventos de túnel, "agrega Fatayer." Las fuerzas muy débiles que medimos se asocian a corrientes en la escala zepto Ampere - eso es 10 a menos 21 (10 ^-21 ). La mayoría de los físicos nunca necesitan usar este prefijo, pero lo hacemos midiendo un electrón cada varios segundos. Literalmente usamos el AFM como un medidor de corriente de un solo electrón ".

Si bien esta es una investigación muy fundamental, las aplicaciones abarcan desde dispositivos electrónicos, por ejemplo a la caracterización de defectos en virutas, a fotovoltaica y semiconductores orgánicos.