Nossa compreensão da eletrônica de uma única molécula tornou-se mais clara e a resposta envolveu o uso de um item doméstico comum - o sal.

Partindo de um artigo anterior em 2009, onde cientistas e colaboradores da IBM demonstraram a capacidade de medir o estado de carga de átomos individuais usando microscopia de força atômica sem contato (AFM), agora eles deram um passo adiante, medindo os níveis de energia de moléculas individuais em isoladores, pela primeira vez. A pesquisa está aparecendo hoje no jornal de revisão por pares Nature Nanotechnology .

Inventado em meados da década de 1980, o microscópio de força atômica mede forças minúsculas entre a ponta e a amostra, como uma molécula em um suporte. A dica é multifuncional, instrumento preciso, que pode gerar imagens de moléculas em uma resolução sem precedentes e até mesmo desencadear reações moleculares nunca antes vistas.

Dimensionamento Eletrônico

Se você já abriu algum tipo de dispositivo eletrônico, como um PC ou até mesmo um despertador digital, você teria descoberto o que é conhecido como placa de circuito impresso (PCB). Esses quadros normalmente verdes parecem mapas que mostram todos os componentes eletrônicos do dispositivo, Incluindo, o que é conhecido como faixas condutoras. Essas trilhas transportam corrente elétrica, como trilhos de ferrovias, em toda a placa para que o dispositivo possa operar. As placas também incluem camadas isolantes que protegem as trilhas contra vazamento de corrente. Sem essas camadas, mesmo pequenos dispositivos eletrônicos exigiriam mais energia para funcionar.

Ao avaliar os blocos de construção básicos desse mesmo PC ou relógio, mas em eletrônica molecular, veríamos uma configuração semelhante com moléculas únicas como trilhas condutoras e elétrons únicos sendo transferidos das moléculas. Considerando que a camada isolante é útil no PCB, o substrato isolante subjacente semelhante, nesta escala, tem outros efeitos que precisam ser considerados.

"Enquanto carrega uma molécula em um isolante, os átomos da molécula irão relaxar para acomodar esta carga adicional e tão importante, o mesmo acontecerá com os núcleos do isolador. Uma vez que a molécula está em cima de um isolante, a caracterização eletrônica de tal sistema é muito difícil ", disse Shadi Fatayer, um pré-doutorado na IBM Research e o primeiro autor do artigo.

Ele adiciona, "Essa mudança na posição dos átomos impacta seus níveis de energia, que tem efeitos drásticos em termos de transferência de um único elétron entre as moléculas. A taxa de transferência de elétrons pode ser ajustada para variar várias ordens de magnitude. "

A equipe de cientistas da IBM, Universidade de Liverpool, A Chalmers University e a University of Regensburg tentaram uma abordagem diferente para lidar com esse problema.

Eles primeiro cultivaram multicamadas de NaCl, também conhecido como cloreto de sódio ou sal, servindo como um material isolante, em cima de um substrato de metal. Tal sistema permite que as moléculas que são absorvidas no topo tenham seus estados de carga estáveis ​​e desacoplados da superfície do metal.

Então, a equipe ponderou:"Como medimos as energias de reorganização?" Experimentalmente, é feito com moléculas em solução, com moléculas em cima de um metal, mas até agora, não havia uma técnica que permitisse que moléculas individuais em cima de um isolante fossem investigadas.

Sua abordagem única consiste em empregar o AFM e elétrons únicos. Elétrons únicos são usados ​​para sondar as transições de estado de carga de dois estados de carga definidos em ambas as direções. No experimento, os cientistas testam seu método em uma única molécula de naftalocianina.

Conforme publicado anteriormente, os autores sabiam que poderiam usar o AFM de forma confiável para medir diferentes estados de carga no topo de um isolador ultrafino com sensibilidade a um único elétron. Eles também demonstraram recentemente imagens de moléculas carregadas de forma estável, bem como a transferência de elétrons únicos entre moléculas no topo de um isolador mais espesso. Contudo, a capacidade de medir energias de reorganização requer a medição dos níveis de energia correspondentes a transições de estado de carga específicas.

"Antes deste trabalho, sabíamos como medir a corrente elétrica através da molécula. Contudo, isso funcionou apenas em uma direção para um determinado orbital. Quando pudemos medir a energia para anexar um elétron a um determinado orbital, nunca poderíamos medir a energia para remover um elétron desse orbital e vice-versa. A capacidade de medir em ambas as direções - isso estava faltando, "disse o físico da IBM Leo Gross." Com nosso método AFM, medimos os níveis de energia em ambas as direções de mudança de estado de carga em um substrato de filme fino. Mas é um trabalho extremamente exigente que lida com sinais muito fracos, o que significa que muitas medições cuidadosas são necessárias para realizar uma análise estatística adequada. "

Ele adiciona, "Usando esta nova metodologia, usamos a ponta e a força exercida na ponta para contar elétrons individuais. Ajustamos a altura e a voltagem da ponta e, em seguida, contamos quanto tempo leva para um elétron ir para (ou de) a ponta e, a partir disso, você pode obter os níveis de energia. "

"Nosso maior desafio foi devido à ponta estar mais longe do que o normal para medir adequadamente os eventos de tunelamento, "acrescenta Fatayer." As forças muito fracas que medimos se associam a correntes na escala de zepto Ampère - isso é 10 elevado a menos 21 (10 ^-21 ) A maioria dos físicos nunca precisa usar esse prefixo, mas fazemos isso medindo um elétron a cada vários segundos. Literalmente, usamos o AFM como um medidor de corrente de um elétron. "

Embora esta seja uma pesquisa fundamental, os aplicativos abrangem desde dispositivos eletrônicos, por exemplo, para caracterização de defeitos em chips, para fotovoltaicos e semicondutores orgânicos.