Sotto la direzione di Latha Venkataraman, professore associato di fisica applicata alla Columbia Engineering, i ricercatori hanno progettato una nuova tecnica per creare un diodo a singola molecola, e, così facendo, hanno sviluppato diodi molecolari che funzionano 50 volte meglio di tutti i progetti precedenti. Il gruppo di Venkataraman è il primo a sviluppare un diodo a singola molecola che potrebbe avere applicazioni tecnologiche reali per dispositivi su scala nanometrica. La loro carta, "Diodi a singola molecola con elevati rapporti On-Off attraverso il controllo ambientale, " è pubblicato il 25 maggio in Nanotecnologia della natura .

"Il nostro nuovo approccio ha creato un diodo a singola molecola che ha un alto (> 250) rettifica e un'elevata corrente "on" (~ 0,1 micro Ampere), " dice Venkataraman. "Costruire un dispositivo in cui gli elementi attivi sono solo una singola molecola è stato a lungo un sogno allettante nella nanoscienza. Questo obiettivo, che è stato il "Santo Graal" dell'elettronica molecolare sin dal suo inizio con l'articolo seminale di Aviram e Ratner del 1974, rappresenta il massimo in termini di miniaturizzazione funzionale che si può ottenere per un dispositivo elettronico."

Con i dispositivi elettronici che diventano ogni giorno più piccoli, il campo dell'elettronica molecolare è diventato sempre più critico nel risolvere il problema dell'ulteriore miniaturizzazione, e le singole molecole rappresentano il limite della miniaturizzazione. L'idea di creare un diodo a singola molecola fu suggerita da Arieh Aviram e Mark Ratner che nel 1974 teorizzarono che una molecola potesse agire da raddrizzatore, un conduttore unidirezionale di corrente elettrica. Da allora i ricercatori hanno esplorato le proprietà di trasporto di carica delle molecole. Hanno dimostrato che le singole molecole attaccate ad elettrodi metallici (giunzioni a singola molecola) possono essere fatte agire come una varietà di elementi del circuito, comprese le resistenze, interruttori, transistor, e, infatti, diodi. Hanno imparato che è possibile vedere gli effetti della meccanica quantistica, come l'interferenza, manifesta nelle proprietà di conduttanza delle giunzioni molecolari.

Poiché un diodo funge da valvola elettrica, la sua struttura deve essere asimmetrica in modo che l'elettricità che fluisce in una direzione sperimenti un ambiente diverso dall'elettricità che fluisce nell'altra direzione. Per sviluppare un diodo a molecola singola, i ricercatori hanno semplicemente progettato molecole che hanno strutture asimmetriche.

"Mentre tali molecole asimmetriche mostrano effettivamente alcune proprietà simili a diodi, non sono efficaci, " spiega Brian Capozzi, uno studente di dottorato che lavora con Venkataraman e autore principale dell'articolo. "Un diodo ben progettato dovrebbe consentire alla corrente di fluire solo in una direzione, la direzione 'on', e dovrebbe consentire a molta corrente di fluire in quella direzione. I progetti molecolari asimmetrici hanno tipicamente sofferto di un flusso di corrente molto basso in entrambi indicazioni di attivazione e disattivazione, e il rapporto del flusso di corrente nei due è stato tipicamente basso. Idealmente, il rapporto tra corrente "on" e corrente "off", il rapporto di rettifica, dovrebbe essere molto alto".

Al fine di superare i problemi associati alla progettazione molecolare asimmetrica, Venkataraman e i suoi colleghi, il gruppo dell'assistente professore di chimica Luis Campos alla Columbia e il gruppo di Jeffrey Neaton alla Molecular Foundry dell'Università di Berkeley, si sono concentrati sullo sviluppo di un'asimmetria nell'ambiente attorno alla giunzione molecolare. Hanno creato un'asimmetria ambientale attraverso un metodo piuttosto semplice:hanno circondato la molecola attiva con una soluzione ionica e hanno utilizzato elettrodi di metallo dorato di diverse dimensioni per contattare la molecola.

I loro risultati hanno raggiunto rapporti di rettifica fino a 250:50 volte superiori rispetto ai progetti precedenti. Il flusso di corrente "acceso" nei loro dispositivi può essere superiore a 0,1 microampere, quale, note di Venkataraman, è molta corrente che passa attraverso una singola molecola. E, perché questa nuova tecnica è così facilmente implementabile, può essere applicato a tutti i dispositivi su scala nanometrica di tutti i tipi, compresi quelli realizzati con elettrodi di grafene.

"È incredibile essere in grado di progettare un circuito molecolare, utilizzando concetti di chimica e fisica, e fallo fare qualcosa di funzionale, " Dice Venkataraman. "La scala delle lunghezze è così piccola che gli effetti della meccanica quantistica sono assolutamente un aspetto cruciale del dispositivo. Quindi è davvero un trionfo essere in grado di creare qualcosa che non sarai mai in grado di vedere fisicamente e che si comporta come previsto".

Lei e il suo team stanno ora lavorando per comprendere la fisica fondamentale dietro la loro scoperta, e cercando di aumentare i rapporti di rettifica osservati, utilizzando nuovi sistemi molecolari.