Em uma nova Nature Communications estudo, os pesquisadores da Columbia Engineering relatam que construíram dispositivos de molécula única altamente condutores e sintonizáveis, nos quais a molécula é ligada a condutores usando contatos diretos metal-metal. Sua nova abordagem usa luz para controlar as propriedades eletrônicas dos dispositivos e abre a porta para um uso mais amplo de contatos metal-metal que poderiam facilitar o transporte de elétrons através do dispositivo de molécula única.



À medida que os dispositivos continuam a encolher, os seus componentes eletrónicos também devem ser miniaturizados. Dispositivos de molécula única, que utilizam moléculas orgânicas como canais condutores, têm o potencial de resolver os desafios de miniaturização e funcionalização enfrentados pelos semicondutores tradicionais. Tais dispositivos oferecem a excitante possibilidade de serem controlados externamente através da utilização de luz, mas – até agora – os investigadores não conseguiram demonstrar isso.

"Com este trabalho, desbloqueamos uma nova dimensão na electrónica molecular, onde a luz pode ser usada para controlar como uma molécula se liga no espaço entre dois eléctrodos metálicos," disse Latha Venkataraman, pioneira em electrónica molecular e Professor Lawrence Gussman de Física Aplicada e professor de química na Columbia Engineering. "É como apertar um botão em nanoescala, abrindo todos os tipos de possibilidades para projetar componentes eletrônicos mais inteligentes e eficientes."

O grupo de Venkataraman estuda as propriedades fundamentais de dispositivos de molécula única há quase duas décadas, explorando a interação da física, da química e da engenharia em escala nanométrica. Seu foco principal é a construção de circuitos de molécula única, uma molécula ligada a dois eletrodos com funcionalidade variada, onde a estrutura do circuito é definida com precisão atômica.

Seu grupo, assim como aqueles que criam dispositivos funcionais com grafeno, um material bidimensional à base de carbono, sabem que fazer bons contatos elétricos entre eletrodos metálicos e sistemas de carbono é um grande desafio. Uma solução seria usar moléculas organometálicas e desenvolver métodos para conectar os condutores elétricos aos átomos metálicos dentro da molécula. Para atingir esse objetivo, eles decidiram explorar o uso de moléculas de ferroceno contendo ferro organometálico, que também são consideradas pequenos blocos de construção no mundo da nanotecnologia.

Assim como as peças de LEGO podem ser empilhadas para criar estruturas complexas, as moléculas de ferroceno podem ser usadas como blocos de construção para construir dispositivos eletrônicos ultrapequenos. A equipe usou uma molécula terminada por um grupo ferroceno compreendendo dois anéis ciclopentadienil à base de carbono que intercalam um átomo de ferro.

Eles então usaram luz para alavancar as propriedades eletroquímicas das moléculas baseadas em ferroceno para formar uma ligação direta entre o centro de ferro ferroceno e o eletrodo de ouro (Au) quando a molécula estava em um estado oxidado (ou seja, quando o átomo de ferro havia perdido um). elétron). Nesse estado, eles descobriram que o ferroceno poderia se ligar aos eletrodos de ouro usados ​​para conectar a molécula ao circuito externo. Tecnicamente, a oxidação do ferroceno permitiu a ligação de um Au ⁰ para Fe ³⁺ Centro.

“Ao aproveitar a oxidação induzida pela luz, encontramos uma maneira de manipular esses pequenos blocos de construção à temperatura ambiente, abrindo portas para um futuro onde a luz pode ser usada para controlar o comportamento de dispositivos eletrônicos em nível molecular”, disse o líder do estudo. autor Woojung Lee, que é Ph.D. estudante no laboratório de Venkararaman.

A nova abordagem de Venkataraman permitirá que sua equipe estenda os tipos de terminações moleculares (contato) químicas que podem usar para criar dispositivos de molécula única. Este estudo também mostra a capacidade de ligar e desligar esse contato usando luz para alterar o estado de oxidação do ferroceno, demonstrando um dispositivo de molécula única baseado em ferroceno comutável por luz. Os dispositivos controlados por luz poderão abrir caminho para o desenvolvimento de sensores e interruptores que respondam a comprimentos de onda de luz específicos, oferecendo componentes mais versáteis e eficientes para uma ampla gama de tecnologias.

Mais informações: Woojung Lee et al, Formação impulsionada por fotooxidação de junções de molécula única baseadas em ferroceno ligadas a Fe-Au, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45707-z
Fornecido pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Columbia