Imposible hacerlo más pequeño: un diodo en una sola molécula

Un diodo en una sola molécula
Foto: LATHA VENKATARAMAN, COLUMBIA ENGINEERING
Actualizado 27/05/2015 10:13:30 CET

MADRID, 26 May. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores de la Universidad de Columbia han diseñado una nueva técnica para crear un diodo de una sola molécula, con resultados además 50 veces mejores a los diseños moleculares anteriores.

   El grupo de Latha Venkataraman, profesora asociada de física aplicada, es el primero en desarrollar un diodo de una sola molécula que puede tener aplicaciones tecnológicas reales para los dispositivos a nanoescala. Su estudio se publica en la revista Nature Nanotechnology.

   "Nuestro nuevo enfoque crea un diodo de una sola molécula que tiene una alta rectificación (> 250) y un alta corriente de funcionamiento (0,1 microamperios)", dice Venkataraman. La construcción de un dispositivo en el que los elementos activos se redicen a una sola molécula ha sido durante mucho tiempo un sueño tentador en nanociencia.

   Este objetivo, que ha sido el 'santo grial' de la electrónica molecular desde su creación con el papel seminal de 1974 de Aviram y Ratner, "representa el no va más en miniaturización funcional que se puede lograr para un dispositivo electrónico ".

   Con dispositivos electrónicos cada vez más pequeños, el campo de la electrónica molecular se ha hecho cada vez más crítico en la solución del problema de la miniaturización, y las moléculas individuales representan el límite de miniaturización.

   La idea de crear un diodo de una sola molécula fue sugerida por Arieh Aviram y Mark Ratner, que teorizaron en 1974 que una molécula podría actuar como un rectificador, un conductor de un solo sentido de la corriente eléctrica.

   Los investigadores han estado explorando las propiedades de transporte de carga de las moléculas. Han demostrado que las moléculas individuales conectadas a electrodos de metal (uniones de una sola molécula) pueden actuar como una variedad de elementos de circuito, incluyendo resistencias, interruptores, transistores, y, de hecho, diodos. Han aprendido que es posible ver efectos de la mecánica cuántica, como la interferencia, que se manifiestan en las propiedades de conductancia de las uniones moleculares.

   Cuando un diodo actúa como una válvula de electricidad, su estructura debe ser asimétrica de manera que la electricidad que fluye en una dirección experimenta un entorno diferente que la electricidad que fluye en la otra dirección. Con el fin de desarrollar un diodo de una sola molécula, los investigadores han diseñado moléculas simples que tienen estructuras asimétricas.

   "Si bien este tipo de moléculas asimétricas de hecho muestran algunas propiedades como diodos, no son eficaces", explica Brian Capozzi, un estudiante de doctorado que trabaja con Venkataraman y autor principal del artículo. "Un diodo bien diseñado sólo debe permitir que la corriente fluya en una dirección - la dirección 'on'- y debe permitir una gran cantidad de corriente fluya en esa dirección. Los diseños moleculares asimétricos han sufrido típicamente un muy bajo flujo de corriente tanto en la dirección 'on' como en la 'off', y la relación de flujo de corriente en ambas ha sido típicamente baja. Lo ideal es que la proporción de corriente 'on' y 'off', la relación de rectificación, debe ser muy alta. "

   Con el fin de superar los problemas asociados con el diseño molecular asimétrico, Venkataraman y sus colegas se centraron en el desarrollo de una asimetría en el medio ambiente alrededor de la unión molecular. Crearon una asimetría ambiental a través de un método bastante simple - rodearon la molécula activa con una solución iónica y usaron electrodos de metal de oro de diferentes tamaños para ponerla en contacto con la molécula.

   Sus resultados obtuvieron relaciones de rectificación tan altas como 250: 50 veces mayor que los diseños anteriores. El flujo de corriente 'on' en sus dispositivos puede contener más de 0,1 microamperios, lo que, señala Venkataraman, es una gran cantidad de corriente que pasa a través de una sola molécula. Y, debido a que esta nueva técnica se implementa tan fácilmente, se puede aplicar a todos los dispositivos a nanoescala, incluidos los fabricados con electrodos de grafeno.

   "Es increíble ser capaz de diseñar un circuito molecular, utilizando conceptos de la química y la física, y conseguir algo funcional", dice Venkataraman. "La escala de longitud es tan pequeña que los efectos de la mecánica cuántica son absolutamente un aspecto crucial del dispositivo. Por lo tanto, es realmente un triunfo para poder crear algo que usted nunca será capaz de ver físicamente y que se comporta según lo previsto."

   Venkataram y su equipo ahora están trabajando en la comprensión de la física fundamental detrás de su descubrimiento, y tratando de aumentar los ratios de rectificación que observaron, utilizando nuevos sistemas moleculares.