Sob a direção de Latha Venkataraman, professor associado de física aplicada na Columbia Engineering, pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para criar um diodo de uma única molécula, e, ao fazer isso, eles desenvolveram diodos moleculares que funcionam 50 vezes melhor do que todos os projetos anteriores. O grupo de Venkataraman é o primeiro a desenvolver um diodo de uma única molécula que pode ter aplicações tecnológicas do mundo real para dispositivos em nanoescala. Seu papel, "Diodos de molécula única com altas taxas de liga / desliga por meio do controle ambiental, "é publicado em 25 de maio em Nature Nanotechnology .

"Nossa nova abordagem criou um diodo de uma única molécula que tem um alto valor (> 250) retificação e uma alta corrente "on" (~ 0,1 micro Amps), "diz Venkataraman." Construir um dispositivo onde os elementos ativos são apenas uma única molécula tem sido um sonho tentador na nanociência. Este objetivo, que tem sido o "santo graal" da eletrônica molecular desde seu início com o artigo seminal de Aviram e Ratner de 1974, representa o que há de mais moderno em miniaturização funcional que pode ser alcançado por um dispositivo eletrônico. "

Com os dispositivos eletrônicos cada vez menores a cada dia, o campo da eletrônica molecular tornou-se cada vez mais crítico para resolver o problema de uma maior miniaturização, e moléculas individuais representam o limite da miniaturização. A ideia de criar um diodo de uma única molécula foi sugerida por Arieh Aviram e Mark Ratner, que teorizaram em 1974 que uma molécula poderia atuar como um retificador, um condutor unilateral de corrente elétrica. Desde então, os pesquisadores têm explorado as propriedades de transporte de carga das moléculas. Eles mostraram que moléculas únicas ligadas a eletrodos de metal (junções de molécula única) podem ser feitas para atuar como uma variedade de elementos de circuito, incluindo resistores, comuta, transistores, e, na verdade, diodos. Eles aprenderam que é possível ver os efeitos da mecânica quântica, como interferência, manifestam-se nas propriedades de condutância das junções moleculares.

Uma vez que um diodo atua como uma válvula de eletricidade, sua estrutura precisa ser assimétrica para que a eletricidade fluindo em uma direção experimente um ambiente diferente do que a eletricidade fluindo na outra direção. A fim de desenvolver um diodo de uma única molécula, os pesquisadores simplesmente projetaram moléculas com estruturas assimétricas.

"Embora essas moléculas assimétricas realmente exibam algumas propriedades semelhantes a diodos, eles não são eficazes, "explica Brian Capozzi, um estudante de PhD trabalhando com Venkataraman e autor principal do artigo. "Um diodo bem projetado deve permitir apenas que a corrente flua em uma direção - a direção 'ligada' - e deve permitir que uma grande quantidade de corrente flua nessa direção. Projetos moleculares assimétricos normalmente sofrem com o fluxo de corrente muito baixo em ambos ' direções on 'e' off ', e a proporção do fluxo de corrente nos dois tem sido normalmente baixa. Idealmente, a proporção da corrente 'ligada' para a corrente 'desligada', a taxa de retificação, deve ser muito alto. "

A fim de superar os problemas associados ao projeto molecular assimétrico, Venkataraman e seus colegas - o grupo do professor assistente de química Luis Campos em Columbia e o grupo de Jeffrey Neaton na Molecular Foundry na UC Berkeley - concentraram-se no desenvolvimento de uma assimetria no ambiente em torno da junção molecular. Eles criaram uma assimetria ambiental por meio de um método bastante simples - envolveram a molécula ativa com uma solução iônica e usaram eletrodos de ouro de tamanhos diferentes para entrar em contato com a molécula.

Seus resultados alcançaram taxas de retificação tão altas quanto 250:50 vezes maiores do que os projetos anteriores. O fluxo de corrente "ligado" em seus dispositivos pode ser superior a 0,1 microampères, que, Venkataraman observa, é muita corrente passar por uma única molécula. E, porque essa nova técnica é facilmente implementada, pode ser aplicado a todos os dispositivos em nanoescala de todos os tipos, incluindo aqueles que são feitos com eletrodos de grafeno.

"É incrível ser capaz de projetar um circuito molecular, usando conceitos de química e física, e fazer algo funcional, "Venkataraman diz." A escala de comprimento é tão pequena que os efeitos da mecânica quântica são absolutamente um aspecto crucial do dispositivo. Portanto, é realmente um triunfo ser capaz de criar algo que você nunca será capaz de ver fisicamente e que se comporta como pretendido. "

Ela e sua equipe agora estão trabalhando para entender a física fundamental por trás de sua descoberta, e tentando aumentar as taxas de retificação que observaram, usando novos sistemas moleculares.