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 se pueda lograr un flujo de carga cuantificado y controlable a temperatura ambiente. Un primer paso en este campo es paraLos investigadores deben demostrar 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 hoy en Nanotecnología de la naturaleza ese es el primero en demostrar de forma reproducible el bloqueo actual: la capacidad de cambiar un dispositivo del estado de aislamiento al estado de conducción donde se agrega y elimina un electrón a la vez, utilizando grupos moleculares atómicamente precisos a temperatura ambiente.
Bonnie Choi, una estudiante graduada en el grupo Roy y coautora principal del trabajo, creó un solo grupo de átomos ordenados geométricamente con un núcleo inorgánico hecho de solo 14 átomos, lo que resulta en un diámetro de aproximadamente 0.5 nanómetros -y posicionó conectores que cablearon el núcleo a dos electrodos de oro, de la misma manera que una resistencia se suelda a dos electrodos metálicos para formar un circuito eléctrico macroscópico por ejemplo, el filamento en una bombilla.
Los investigadores utilizaron una técnica de microscopio de túnel de exploración que fueron 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 fabricary mida miles de cruces 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 átomono se puede 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 manera controlable para obtener cierta respuesta eléctrica ".
Varios estudios han utilizado puntos cuánticos para producir efectos similares, pero debido a que los puntos son mucho más grandes y de tamaño no uniforme, debido a la naturaleza de su síntesis, los resultados no han sido reproducibles, no todos los dispositivos fabricados con Quantumlos puntos 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, por lo 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, un investigador postdoctoral y coautor 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 a través. Es fascinante ver eso simpleLos cambios químicos dentro de una molécula pueden tener una profunda influencia en la estructura electrónica de las moléculas, lo que lleva 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 se enciende y la corriente residual todavía presente en su estado "apagado". A temperatura ambiente,observaron una relación de encendido / apagado de aproximadamente 600 en uniones de un solo grupo, más alta 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 de flujo de carga "secuencial", cada electrónen tránsito a través de una unión de grupo se detuvo en el grupo por un tiempo.Por lo general, en las uniones de molécula pequeña, los electrones "empujados" a través de la unión por el sesgo aplicado hacen el salto continuamente, de un electrodo al otro, de modo que el número de electronesen la molécula en cada instante de tiempo no está bien definido.
"Decimos que el grupo se 'carga' ya que, durante un breve intervalo de tiempo antes de que el electrón en tránsito salte al otro electrodo metálico, almacena una carga adicional", dice Roy. "Tal modo de conducción secuencial o discreto esdebido a la peculiar estructura electrónica del grupo que confina 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 grupo. La corriente cae a un valor muy pequeño a bajo voltajeComo 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 grupo que se vuelve energéticamente accesible abre una ruta viable para los electrones que ahora pueden saltar dentro y fuera del grupo, lo que resulta en eventos consecutivos de 'carga' y 'descarga'. El bloqueo se levanta y la corriente comienza a fluir a través de la unión ".
Los investigadores adaptaron los grupos para explorar el impacto del cambio de composición en la respuesta eléctrica de los grupos y planean construir sobre su estudio inicial. Diseñarán sistemas de grupo mejorados con mejores rendimientos eléctricos por ejemplo, mayor relación de corriente de encendido / apagado, diferente accesibleestados, 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 electrónica a la que pueden acceder con su ventana de voltaje.los niveles de energía afectarían 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 son más fáciles de trabajar", señala 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 pueden ser no solo más desafiantes sintéticamente, sino también más interesantes como componentes eléctricos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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