I fisici NUS hanno scoperto che complesse interazioni elettrone-elettrone cambiano i livelli di energia alle interfacce molecola-metallo, che influenzano le prestazioni dei dispositivi elettronici molecolari.

L'elettronica molecolare prevede l'uso di molecole come elemento costitutivo principale per la creazione dei circuiti elettronici. Può essere potenzialmente utilizzato per sviluppare circuiti molto più piccoli di quelli realizzati con processi convenzionali al silicio. Comprendere le proprietà elettroniche dell'interfaccia tra le molecole e i conduttori metallici, in particolare i loro livelli energetici associati, è importante per razionalizzare e ottimizzare le prestazioni del dispositivo. Questo è fondamentale per lo sviluppo dell'elettronica molecolare.

Una proprietà fondamentale di ogni molecola è il suo gap energetico, definita come la differenza di energia tra il livello di energia orbitale più alto e più basso rispettivamente occupato e non occupato dagli elettroni. Questi livelli sono anche i livelli energetici più importanti per le prestazioni del dispositivo. Il gap energetico di una molecola si riduce quando la molecola viene avvicinata a una superficie metallica; questo renderà più facile il movimento dei portatori di carica tra la molecola e il contatto metallico. Questo cambiamento nel gap è causato principalmente da effetti di schermatura elettronica dalla superficie del metallo, e può essere grande quanto diversi elettronvolt. Però, questo effetto di screening elettronico è assente dalla maggior parte degli studi teorici su questo argomento.

Un team di ricerca guidato dal Prof Su Ying QUEK, del Dipartimento di Fisica, NUS ha chiarito le proprietà della struttura elettronica dell'interfaccia per una serie di diverse molecole su superfici d'oro utilizzando metodi teorici e computazionali all'avanguardia che tengono esplicitamente conto degli effetti di screening elettronico dai primi principi. I ricercatori hanno effettuato calcoli su sistemi molecolari ancorati da comuni gruppi funzionali chimici (ammina, piridina e gruppi tiolati). Il team di ricerca ha scoperto che per una singola molecola, l'effetto di schermatura elettronica può essere previsto con precisione da un modello di carica dell'immagine, anche in presenza di legami chimici. Il modello della carica dell'immagine è un metodo elettrostatico classico che approssima lo screening elettronico di una carica di prova mediante una carica dell'immagine nel metallo. Però, in dispositivi con molte molecole, i ricercatori hanno trovato significativi meccanismi di screening elettronici aggiuntivi. Oltre agli effetti di screening intermolecolare, Si è scoperto che anche le interazioni intermolecolari mediate dal substrato contribuiscono a questi meccanismi di screening aggiuntivi. I risultati suggeriscono che i portatori di carica possono scavare più facilmente attraverso l'interfaccia in dispositivi con molte molecole.

Il professor Quek ha detto, "Questo lavoro fornisce preziose informazioni sui numerosi effetti degli elettroni nelle interfacce molecola-metallo che coinvolgono i legami chimici. I risultati e le scoperte di questa ricerca costituiscono un passo importante verso la comprensione e la manipolazione dei sistemi organici funzionali nello sviluppo di dispositivi molecolari".