En una nueva Comunicaciones de la Naturaleza En el estudio, los investigadores de Columbia Engineering informan que han construido dispositivos de una sola molécula sintonizables y altamente conductores en los que la molécula se une a cables mediante el uso de contactos directos metal-metal. Su novedoso enfoque utiliza la luz para controlar las propiedades electrónicas de los dispositivos y abre la puerta a un uso más amplio de contactos metal-metal que podrían facilitar el transporte de electrones a través del dispositivo de una sola molécula.
A medida que los dispositivos siguen reduciéndose, sus componentes electrónicos también deben miniaturizarse. Los dispositivos de una sola molécula, que utilizan moléculas orgánicas como canales conductores, tienen el potencial de resolver los desafíos de miniaturización y funcionalización que enfrentan los semiconductores tradicionales. Estos dispositivos ofrecen la interesante posibilidad de ser controlados externamente mediante el uso de luz, pero hasta ahora los investigadores no han podido demostrarlo.
"Con este trabajo, hemos desbloqueado una nueva dimensión en la electrónica molecular, donde la luz se puede utilizar para controlar cómo se une una molécula dentro del espacio entre dos electrodos metálicos", dijo Latha Venkataraman, pionera en electrónica molecular y profesora Lawrence Gussman de Física Aplicada y profesor de química en Columbia Engineering. "Es como accionar un interruptor a nanoescala, abriendo todo tipo de posibilidades para diseñar componentes electrónicos más inteligentes y eficientes".
El grupo de Venkataraman ha estado estudiando las propiedades fundamentales de los dispositivos de una sola molécula durante casi dos décadas, explorando la interacción de la física, la química y la ingeniería a escala nanométrica. Su enfoque subyacente es la construcción de circuitos de una sola molécula, una molécula unida a dos electrodos con funcionalidad variada, donde la estructura del circuito se define con precisión atómica.
Su grupo, así como los que crean dispositivos funcionales con grafeno, un material bidimensional a base de carbono, saben que lograr buenos contactos eléctricos entre electrodos metálicos y sistemas de carbono es un gran desafío. Una solución sería utilizar moléculas organometálicas e idear métodos para interconectar los cables eléctricos con los átomos metálicos dentro de la molécula. Para lograr este objetivo, decidieron explorar el uso de moléculas organometálicas que contienen hierro, que también se consideran pequeños bloques de construcción en el mundo de la nanotecnología.
Así como las piezas de LEGO se pueden apilar para crear estructuras complejas, las moléculas de ferroceno se pueden utilizar como bloques de construcción para construir dispositivos electrónicos ultrapequeños. El equipo utilizó una molécula terminada por un grupo ferroceno que comprende dos anillos de ciclopentadienilo basados en carbono que intercalan un átomo de hierro.
Luego usaron luz para aprovechar las propiedades electroquímicas de las moléculas a base de ferroceno para formar un enlace directo entre el centro de hierro del ferroceno y el electrodo de oro (Au) cuando la molécula estaba en estado oxidado (es decir, cuando el átomo de hierro había perdido uno). electrón). En este estado, descubrieron que el ferroceno podía unirse a los electrodos de oro utilizados para conectar la molécula al circuito externo. Técnicamente, la oxidación del ferroceno permitió la unión de un Au 0 a un Fe 3+ centro.
"Al aprovechar la oxidación inducida por la luz, encontramos una manera de manipular estos pequeños bloques de construcción a temperatura ambiente, abriendo las puertas a un futuro en el que la luz pueda usarse para controlar el comportamiento de los dispositivos electrónicos a nivel molecular", dijo el líder del estudio. autor Woojung Lee, quien es Ph.D. estudiante en el laboratorio de Venkararaman.
El nuevo enfoque de Venkataraman permitirá a su equipo ampliar los tipos de químicas de terminaciones moleculares (contacto) que pueden utilizar para crear dispositivos de una sola molécula. Este estudio también muestra la capacidad de activar y desactivar este contacto mediante el uso de luz para cambiar el estado de oxidación del ferroceno, lo que demuestra un dispositivo de una sola molécula basado en ferroceno conmutable por luz. Los dispositivos controlados por luz podrían allanar el camino para el desarrollo de sensores e interruptores que respondan a longitudes de onda de luz específicas, ofreciendo componentes más versátiles y eficientes para una amplia gama de tecnologías.
Más información: Woojung Lee et al, Formación impulsada por fotooxidación de uniones de molécula única basadas en ferroceno unidas a Fe-Au, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45707-z
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia
