p Uma equipe de pesquisadores do Berkeley Lab e da Columbia University ultrapassou um marco importante na eletrônica molecular com a criação do diodo de molécula única de maior desempenho do mundo. Trabalhando na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science User Facility, a equipe usou uma combinação de eletrodos de ouro e uma solução iônica para criar um diodo de uma única molécula que supera o melhor de seus antecessores por um fator de 50. p "Usando uma única molécula simétrica, uma solução iônica e dois eletrodos de ouro de áreas de superfície expostas dramaticamente diferentes, fomos capazes de criar um diodo que resultou em uma taxa de retificação, a relação entre a corrente direta e reversa em tensão fixa, mais de 200, que é um recorde para dispositivos de molécula única, "diz Jeff Neaton, Diretor da Fundição Molecular, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e do Departamento de Física da Universidade da Califórnia em Berkeley, e membro do Kavli Energy Nanoscience Institute em Berkeley (Kavli ENSI).

p "A assimetria necessária para o comportamento do diodo origina-se nas diferentes áreas expostas do eletrodo e na solução iônica, ", diz ele." Isso leva a diferentes ambientes eletrostáticos em torno dos dois eletrodos e comportamento superlativo de dispositivo de uma única molécula. "

p Com "menor e mais rápido" como o mantra da indústria eletrônica, dispositivos de molécula única representam o limite máximo da miniaturização eletrônica. Em 1974, os pioneiros da eletrônica molecular Mark Ratner e Arieh Aviram teorizaram que uma molécula assimétrica poderia atuar como um retificador, um condutor unilateral de corrente elétrica. Desde então, o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de molécula única funcional tem sido uma grande busca com diodos - um dos componentes eletrônicos mais usados ​​- estando no topo da lista.

p Um diodo típico consiste em uma junção p-n de silício entre um par de eletrodos (ânodo e cátodo) que serve como a "válvula" de um circuito elétrico, direcionando o fluxo de corrente, permitindo que ela passe em apenas uma direção "para frente". A assimetria de uma junção p-n apresenta os elétrons com um ambiente de transporte "liga / desliga". Os cientistas já criaram diodos de uma única molécula por meio da síntese química de moléculas assimétricas especiais que são análogas a uma junção p-n; ou através do uso de moléculas simétricas com metais diferentes como os dois eletrodos. Contudo, as junções assimétricas resultantes produziram baixas taxas de retificação, e baixa corrente direta. Neaton e seus colegas da Universidade de Columbia descobriram uma maneira de resolver ambas as deficiências.

p "O fluxo de elétrons em escalas de comprimento molecular é dominado por tunelamento quântico, "Neaton explica." A eficiência do processo de tunelamento depende intimamente do grau de alinhamento dos níveis de energia discretos da molécula com o espectro contínuo do eletrodo. Em um retificador molecular, este alinhamento é aprimorado para tensão positiva, levando a um aumento no tunelamento, e é reduzido para tensão negativa. Na Molecular Foundry, desenvolvemos uma abordagem para calcular com precisão o alinhamento do nível de energia e a probabilidade de tunelamento em junções de molécula única. Este método permitiu que eu e Zhenfei Liu entendêssemos quantitativamente o comportamento do diodo. "

p Em colaboração com Latha Venkataraman e Luis Campos da Universidade de Columbia e seus respectivos grupos de pesquisa, Neaton e Liu fabricaram um retificador de alto desempenho a partir de junções feitas de moléculas simétricas com ressonância molecular em alinhamento quase perfeito com os níveis de energia do elétron de Fermi dos eletrodos de ouro. A simetria foi quebrada por uma diferença substancial no tamanho da área em cada eletrodo de ouro que foi exposto à solução iônica. Devido à área assimétrica do eletrodo, a solução iônica, e o alinhamento do nível de energia da junção, uma voltagem positiva aumenta substancialmente a corrente; uma tensão negativa o suprime de forma igualmente significativa.

p "A solução iônica, combinada com a assimetria nas áreas do eletrodo, nos permite controlar o ambiente eletrostático da junção simplesmente mudando a polaridade de polarização, "Neaton diz." Além de quebrar a simetria, camadas duplas formadas por solução iônica também geram diferenças dipolo nos dois eletrodos, qual é a razão subjacente por trás da mudança assimétrica da ressonância molecular. Os experimentos do grupo Columbia mostraram que, com a mesma molécula e configuração de eletrodo, uma solução não iônica não produz retificação alguma. "

p A equipe do Berkeley Lab-Columbia University acredita que sua nova abordagem para um diodo de uma única molécula fornece uma rota geral para o ajuste de fenômenos de dispositivos em nanoescala não lineares que podem ser aplicados a sistemas além das junções de uma única molécula e dispositivos de dois terminais.

p "Esperamos que o entendimento obtido com este trabalho seja aplicável ao gating de líquido iônico em outros contextos, e mecanismos a serem generalizados para dispositivos fabricados a partir de materiais bidimensionais, "Neaton diz." Além dos dispositivos, esses minúsculos circuitos moleculares são placas de petri para revelar e projetar novas rotas de carga e fluxo de energia em nanoescala. O que é empolgante para mim neste campo é sua natureza multidisciplinar - a necessidade tanto da física quanto da química - e o forte e benéfico acoplamento entre experimento e teoria.

p "Com o aumento do nível de controle experimental no nível de uma única molécula, e melhorias na compreensão teórica e velocidade e precisão computacional, estamos apenas na ponta do iceberg, com o que podemos entender e controlar nessas escalas pequenas. "

p Neaton, Venkataraman e Campos são os autores correspondentes de um artigo que descreve esta pesquisa em Nature Nanotechnology . O artigo é intitulado "Diodos de uma única molécula com altas taxas de retificação por meio do controle ambiental". Outros co-autores são Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma Dell, Zhen-Fei Liu e Jeffrey Taylor.