Un equipo de investigadores de Berkeley Lab y la Universidad de Columbia ha superado un hito importante en electrónica molecular con la creación del diodo de molécula única de más alto rendimiento del mundo. Trabajando en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, una oficina del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOEde Science User Facility, el equipo usó una combinación de electrodos de oro y una solución iónica para crear un diodo de una sola molécula que supera al mejor de sus predecesores en un factor de 50.
"Usando una sola molécula simétrica, una solución iónica y dos electrodos de oro de áreas de superficie expuestas dramáticamente diferentes, pudimos crear un diodo que resultó en una relación de rectificación, la relación de corriente directa a inversa a voltaje fijo, en excesode 200, que es un récord para dispositivos de una sola molécula ", dice Jeff Neaton, Director de la Fundición Molecular, científico principal de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de la Universidad de California en Berkeley, y miembro deKavli Energy Nanocience Institute en Berkeley Kavli ENSI.
"La asimetría necesaria para el comportamiento del diodo se origina con las diferentes áreas expuestas del electrodo y la solución iónica", dice. "Esto conduce a diferentes entornos electrostáticos que rodean los dos electrodos y el comportamiento superlativo del dispositivo de molécula única".
Con "más pequeño y más rápido" como el mantra de la industria electrónica, los dispositivos de una sola molécula representan el límite máximo en la miniaturización electrónica. En 1974, los pioneros de la electrónica molecular Mark Ratner y Arieh Aviram teorizaron que una molécula asimétrica podría actuar como un rectificador, un conductor unidireccional de corriente eléctrica. Desde entonces, el desarrollo de dispositivos electrónicos funcionales de una sola molécula ha sido una búsqueda importante con diodos, uno de los componentes electrónicos más utilizados, que se encuentra en la parte superior de la lista.
Un diodo típico consiste en una unión pn de silicio entre un par de electrodos ánodo y cátodo que sirve como la "válvula" de un circuito eléctrico, dirigiendo el flujo de corriente al permitir que pase a través de un solo "avance"dirección. La asimetría de una unión pn presenta a los electrones un entorno de transporte "on / off". Los científicos han creado previamente diodos de una sola molécula, ya sea a través de la síntesis química de moléculas asimétricas especiales que son análogas a una unión pn, o mediante el usode moléculas simétricas con diferentes metales como los dos electrodos. Sin embargo, las uniones asimétricas resultantes produjeron bajas relaciones de rectificación y baja corriente hacia adelante. Neaton y sus colegas de la Universidad de Columbia han descubierto una forma de abordar ambas deficiencias.
"El flujo de electrones en escalas de longitud molecular está dominado por el túnel cuántico", explica Neaton. "La eficiencia del proceso de túnel depende íntimamente del grado de alineación de los niveles discretos de energía de la molécula con el espectro continuo del electrodo. En un rectificador molecular, esta alineación se mejora para el voltaje positivo, lo que lleva a un aumento en la tunelización, y se reduce para la tensión negativa. En la Fundición Molecular desarrollamos un enfoque para calcular con precisión la alineación del nivel de energía y la probabilidad de tunelización en uniones de molécula única. Este método permitióyo y Zhenfei Liu para comprender el comportamiento del diodo cuantitativamente "
En colaboración con Latha Venkataraman y Luis Campos de la Universidad de Columbia y sus respectivos grupos de investigación, Neaton y Liu fabricaron un rectificador de alto rendimiento a partir de uniones hechas de moléculas simétricas con resonancia molecular en una alineación casi perfecta con los niveles de energía de electrones Fermi de los electrodos de oroLa simetría se rompió por una diferencia sustancial en el tamaño del área en cada electrodo de oro que estuvo expuesto a la solución iónica. Debido al área asimétrica del electrodo, la solución iónica y la alineación del nivel de energía de la unión, un voltaje positivo aumenta la corriente sustancialmente; un voltaje negativo lo suprime de manera igualmente significativa.
"La solución iónica, combinada con la asimetría en las áreas de electrodos, nos permite controlar el entorno electrostático de la unión simplemente cambiando la polaridad de polarización", dice Neaton. "Además de romper la simetría, las capas dobles formadas por la solución iónica también generan dipolodiferencias en los dos electrodos, que es la razón subyacente detrás del cambio asimétrico de la resonancia molecular. Los experimentos del grupo Columbia mostraron que con la misma configuración de molécula y electrodo, una solución no iónica no produce ninguna rectificación ".
El equipo de Berkeley Lab-Columbia University cree que su nuevo enfoque para un diodo de una sola molécula proporciona una ruta general para ajustar los fenómenos no lineales de dispositivos a nanoescala que podrían aplicarse a sistemas más allá de uniones de molécula única y dispositivos de dos terminales.
"Esperamos que la comprensión obtenida de este trabajo sea aplicable a la activación de líquido iónico en otros contextos, y que los mecanismos se generalicen a dispositivos fabricados con materiales bidimensionales", dice Neaton. "Más allá de los dispositivos, estos pequeños circuitos moleculares son petriplatos para revelar y diseñar nuevas rutas de carga y flujo de energía a nanoescala. Lo que me emociona de este campo es su naturaleza multidisciplinaria, la necesidad de física y química, y el fuerte acoplamiento beneficioso entre el experimento y la teoría.
"Con el nivel creciente de control experimental a nivel de molécula única y las mejoras en la comprensión teórica y la velocidad y precisión computacionales, estamos en la punta del iceberg con lo que podemos entender y controlar en estas escalas de longitud pequeña"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Lynn Yarris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :