Un puente molecular más allá
Electrónica molecular
La electrónica construida a partir de moléculas podría abrir nuevas posibilidades en la miniaturización de circuitos en el futuro. Los investigadores de Empa, junto con socios de Suiza, Holanda, Israel y el Reino Unido, lograron resolver un detalle crucial en la realización de tales elementos de circuito: Un puente molecular para electrones que permanece mecánica y electrónicamente estable a temperatura ambiente.
Representación esquemática de moléculas ancladas a un sustrato de SiO2/Si (gris). Gracias a la estructura controlada de las moléculas, se forma una arquitectura molecular estable que actúa como puente para los electrones que viajan entre los electrodos de grafeno. Estos cables de grafeno son entonces contactados por almohadillas metálicas convencionales (Au) (amarillas). La estructura molecular así construida recuerda a la arquitectura de un arco romano.
Empa
La electrónica molecular, en la que los elementos del circuito están compuestos de moléculas, podría hacer posible en el futuro la construcción de dispositivos electrónicos a nanoescala con funciones novedosas. Los componentes deben estar construidos y ensamblados con precisión a nivel atómico.
Investigadores del laboratorio "Transport at Nanoscale Interfaces" de Empa, dirigido por Michel Calame, están trabajando junto con socios de las universidades de Basilea y Berna, el Instituto Suizo de Nanociencia, la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, la Universidad de Lancaster y la Universidad de Warwick en el Reino Unido, así como la Universidad Hebrea en Jerusalén, para integrar bloques de construcción molecular con electrodos de grafeno. (ver ilustración).
Un puente estable
El mayor desafío: proporcionar un transporte electrónico eficiente entre los dos electrodos de grafeno. Los investigadores eligieron el enfoque de construir un puente molecular para controlar la corriente. El puente debe ser mecánica y electrónicamente robusto para evitar grandes fluctuaciones, inherentes a los dispositivos a nanoescala, y esto a temperatura ambiente. Además, para poder ser utilizado en cualquier aplicación, cada característica del dispositivo debe ser reproducible en varias muestras.
El problema: la estabilidad mecánica y electrónica impone diferentes exigencias a las propiedades del puente. "Un acoplamiento débil entre los orbitales proporciona una conexión electrónica interesante entre los dos electrodos de grafeno y hace que las propiedades de unión sean menos sensibles a las fluctuaciones electrónicas locales de los electrodos. Sin embargo, esta estrategia conduce a conexiones mecánicamente inestables", explica Maria El Abbassi, la primera autora del artículo. Si, por otro lado, se utilizan moléculas que forman una unión covalente con los electrodos de grafeno, el sistema puede ser mecánicamente más estable, pero las propiedades de transporte del puente están mal definidas debido a la falta de control de la geometría de los electrodos y de los bordes, lo que conduce a una fuerte variación en las propiedades electrónicas.
Una molécula de tres partes como solución
Los investigadores han logrado construir elementos de puente reproducibles que combinan ambas propiedades: estabilidad mecánica y electrónica. Las moléculas constan de tres componentes: un grupo de silano, un grupo de cabeza y una cadena de alcanos que se separa. La tarea del grupo del silano es anclar mecánicamente las moléculas al sustrato de óxido de silicio. Se une a través de una unión fuerte y covalente con el sustrato. El proceso de silanización también ofrece otra ventaja deseada: se forma una capa protectora sobre el óxido de silicio. La segunda y clave parte de la molécula es el grupo de cabeza. Su tarea es construir una vía para los electrones entre los dos electrodos de grafeno. Esto ocurre en un proceso mecánico cuántico: los pi-orbitales de las moléculas adyacentes se superponen entre sí y con los de los dos electrodos de grafeno, creando una órbita extendida a través de la unión y actuando así como una función de puente. La última parte necesaria es la cadena de alcanos. Aísla electrónicamente el ancla y el grupo de cabeza entre sí.
Las moléculas acumuladas de esta manera se apilan entre los dos electrodos de grafeno y forman así un elemento conductor controlable.
Tres moléculas para elegir
Para el grupo principal, los investigadores investigaron tres compuestos diferentes. El primer grupo de cabecera (CH3) actuó como control, dando lugar a dispositivos con una conexión electrónica limitada. Un segundo grupo, el N-carbozol, resultó no ser el ideal, ya que se construyó un puente electrónico pero no proporcionó suficiente estabilidad para formar una vía electrónica bien definida. El aumento del solapamiento orbital con el tercer candidato -el bifenil N-carbozol- demostró que la estrategia podría conducir a cruces estables con una corriente de varios órdenes de magnitud más grande que en el caso de la primera, la molécula de control.
Los investigadores también pudieron demostrar que las propiedades electrónicas de la construcción del puente son estables desde temperaturas que van desde los 20 grados sobre el cero absoluto hasta las temperaturas ambiente.
"Esto nos permitió demostrar una estrategia simple pero efectiva para incorporar funciones basadas en moléculas en sistemas nanoelectrónicos en el futuro", explica Calame.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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