Um objetivo importante no campo da eletrônica molecular, que visa usar moléculas únicas como componentes eletrônicos, é fazer um dispositivo onde um quantizado, fluxo controlável de carga pode ser alcançado em temperatura ambiente. Um primeiro passo neste campo é os pesquisadores demonstrarem que moléculas individuais podem funcionar como elementos de circuito reproduzíveis, como transistores ou diodos que podem operar facilmente em temperatura ambiente.

Uma equipe liderada por Latha Venkataraman, professor de física aplicada e química na Columbia Engineering e Xavier Roy, professor assistente de química (Artes e Ciências), publicou um estudo em Nature Nanotechnology aquele é o primeiro a demonstrar reprodutivelmente o bloqueio de corrente - a capacidade de mudar um dispositivo do estado isolante para o condutor onde a carga é adicionada e removida um elétron de cada vez - usando agrupamentos moleculares atomicamente precisos em temperatura ambiente.

Bonnie Choi, um estudante de pós-graduação no grupo Roy e co-autor principal do trabalho, criou um único aglomerado de átomos geometricamente ordenados com um núcleo inorgânico feito de apenas 14 átomos - resultando em um diâmetro de cerca de 0,5 nanômetros - e posicionou ligantes que conectaram o núcleo a dois eletrodos de ouro, tanto quanto um resistor é soldado a dois eletrodos de metal para formar um circuito elétrico macroscópico (por exemplo, o filamento em uma lâmpada).

Os pesquisadores usaram uma técnica de microscópio de tunelamento de varredura que eles foram pioneiros para fazer junções compreendendo um único cluster conectado aos dois eletrodos de ouro, o que lhes permitiu caracterizar sua resposta elétrica à medida que variavam a tensão de polarização aplicada. A técnica permite fabricar e medir milhares de junções com características de transporte reproduzíveis.

"Descobrimos que esses clusters podem funcionar muito bem como diodos em nanoescala à temperatura ambiente, cuja resposta elétrica podemos adaptar alterando sua composição química, "diz Venkataraman." Teoricamente, um único átomo é o menor limite, mas os dispositivos de átomo único não podem ser fabricados e estabilizados à temperatura ambiente. Com esses clusters moleculares, temos controle completo sobre sua estrutura com precisão atômica e podemos alterar a composição e estrutura elementar de uma maneira controlável para obter certa resposta elétrica. "

Vários estudos usaram pontos quânticos para produzir efeitos semelhantes, mas como os pontos são muito maiores e não uniformes em tamanho, devido à natureza de sua síntese, os resultados não foram reproduzíveis - nem todos os dispositivos feitos com pontos quânticos se comportaram da mesma maneira. A equipe Venkataraman-Roy trabalhou com agrupamentos moleculares inorgânicos menores que eram idênticos em forma e tamanho, então eles sabiam exatamente - até a escala atômica - o que estavam medindo.

"A maioria dos outros estudos criaram dispositivos de molécula única que funcionavam como transistores de elétrons únicos a quatro graus Kelvin, mas para qualquer aplicativo do mundo real, esses dispositivos precisam funcionar em temperatura ambiente. E os nossos fazem, "diz Giacomo Lovat, um pesquisador de pós-doutorado e co-autor principal do artigo. "Construímos um transistor em escala molecular com vários estados e funcionalidades, no qual temos controle sobre a quantidade precisa de carga que flui. É fascinante ver que mudanças químicas simples dentro de uma molécula, pode ter uma influência profunda na estrutura eletrônica das moléculas, levando a diferentes propriedades elétricas. "

A equipe avaliou o desempenho do diodo através da relação liga / desliga, que é a relação entre a corrente que flui através do dispositivo quando ele é ligado e a corrente residual ainda presente em seu estado "desligado". Em temperatura ambiente, eles observaram uma razão liga / desliga de cerca de 600 em junções de cluster único, maior do que qualquer outro dispositivo de molécula única medido até o momento. Particularmente interessante foi o fato de que essas junções foram caracterizadas por um modo "sequencial" de fluxo de carga; cada elétron em trânsito através de uma junção de cluster parou no cluster por um tempo. Usualmente, em junções de moléculas pequenas, elétrons "empurrados" através da junção pela polarização aplicada dão o salto continuamente, de um eletrodo para o outro, de modo que o número de elétrons na molécula em cada instante de tempo não está bem definido.

"Dizemos que o cluster torna-se 'carregado', uma vez que, por um curto intervalo de tempo antes que o elétron em trânsito salte para o outro eletrodo de metal, ele armazena uma carga extra, "diz Roy." Tão sequencial, ou discreto, modo de condução é devido à estrutura eletrônica peculiar do cluster que confina elétrons em orbitais fortemente localizados. Esses orbitais também são responsáveis ​​pelo regime de 'bloqueio de corrente' observado quando uma baixa tensão de polarização é aplicada a uma junção de cluster. A corrente cai para um valor muito pequeno em baixa tensão, pois os elétrons no contato de metal não têm energia suficiente para ocupar um dos orbitais do aglomerado. À medida que a tensão aumenta, o primeiro orbital do aglomerado que se torna acessível energeticamente abre uma rota viável para os elétrons que agora podem entrar e sair do aglomerado, resultando em eventos consecutivos de 'carregamento' e 'descarga'. O bloqueio foi levantado, e a corrente começa a fluir pela junção. "

Os pesquisadores adaptaram os clusters para explorar o impacto da mudança de composição na resposta elétrica dos clusters e planejam desenvolver seu estudo inicial. Eles irão projetar sistemas de cluster aprimorados com melhores desempenhos elétricos (por exemplo, maior relação de corrente liga / desliga, diferentes estados acessíveis), e aumentar o número de átomos no núcleo do cluster, mantendo a precisão atômica e uniformidade do composto. Isso aumentaria o número de níveis de energia, cada um correspondendo a uma determinada órbita de elétrons que eles podem acessar com sua janela de voltagem. Aumentar os níveis de energia teria impacto na relação liga / desliga do dispositivo, talvez também diminuindo a potência necessária para ligar o dispositivo se mais níveis de energia se tornarem acessíveis para os elétrons em trânsito em baixas tensões de polarização.

"A maioria das investigações de transporte de molécula única foram realizadas em moléculas orgânicas simples porque são mais fáceis de trabalhar, "Venkataraman observa." Nosso esforço colaborativo aqui por meio da Columbia Nano Initiative une a química e a física, permitindo-nos experimentar novos compostos, como esses aglomerados moleculares, que pode não ser apenas mais desafiador sinteticamente, mas também mais interessantes como componentes elétricos. "