Un team di ricercatori del Berkeley Lab e della Columbia University ha superato un'importante pietra miliare nell'elettronica molecolare con la creazione del diodo a singola molecola dalle prestazioni più elevate al mondo. Lavorando alla fonderia molecolare di Berkeley Lab, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), il team ha utilizzato una combinazione di elettrodi d'oro e una soluzione ionica per creare un diodo a molecola singola che supera di un fattore 50 il meglio dei suoi predecessori.

"Utilizzando una singola molecola simmetrica, una soluzione ionica e due elettrodi d'oro con superfici esposte notevolmente diverse, siamo stati in grado di creare un diodo che ha prodotto un rapporto di rettifica, il rapporto tra la corrente diretta e quella inversa a tensione fissa, oltre 200, che è un record per i dispositivi a molecola singola, "dice Jeff Neaton, Direttore della Fonderia Molecolare, uno scienziato senior della facoltà con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il Dipartimento di Fisica dell'Università della California Berkeley, e membro del Kavli Energy Nanoscience Institute di Berkeley (Kavli ENSI).

"L'asimmetria necessaria per il comportamento del diodo ha origine dalle diverse aree degli elettrodi esposti e dalla soluzione ionica, " dice. "Questo porta a diversi ambienti elettrostatici che circondano i due elettrodi e un comportamento superlativo del dispositivo a singola molecola".

Con "più piccolo e più veloce" come mantra trainante dell'industria elettronica, i dispositivi a singola molecola rappresentano il limite ultimo della miniaturizzazione elettronica. Nel 1974, i pionieri dell'elettronica molecolare Mark Ratner e Arieh Aviram hanno teorizzato che una molecola asimmetrica potrebbe agire come raddrizzatore, un conduttore unidirezionale di corrente elettrica. Da allora, lo sviluppo di dispositivi elettronici funzionali a singola molecola è stata una delle principali ricerche con i diodi - uno dei componenti elettronici più utilizzati - in cima alla lista.

Un tipico diodo è costituito da una giunzione p-n in silicio tra una coppia di elettrodi (anodo e catodo) che funge da "valvola" di un circuito elettrico, dirigere il flusso di corrente permettendogli di passare in una sola direzione "in avanti". L'asimmetria di una giunzione p-n presenta gli elettroni con un ambiente di trasporto "on/off". Gli scienziati hanno precedentemente modellato diodi a molecola singola sia attraverso la sintesi chimica di speciali molecole asimmetriche che sono analoghe a una giunzione p-n; oppure mediante l'utilizzo di molecole simmetriche con metalli diversi come i due elettrodi. Però, le risultanti giunzioni asimmetriche hanno prodotto bassi rapporti di rettifica, e bassa corrente diretta. Neaton e i suoi colleghi della Columbia University hanno scoperto un modo per affrontare entrambe le carenze.

"Il flusso di elettroni su scale di lunghezza molecolare è dominato dal tunneling quantistico, " Spiega Neaton. "L'efficienza del processo di tunneling dipende intimamente dal grado di allineamento dei livelli discreti di energia della molecola con lo spettro continuo dell'elettrodo. In un raddrizzatore molecolare, questo allineamento è migliorato per tensione positiva, portando ad un aumento del tunneling, e si riduce per tensione negativa. Presso la Molecular Foundry abbiamo sviluppato un approccio per calcolare con precisione l'allineamento del livello di energia e la probabilità di tunneling nelle giunzioni a singola molecola. Questo metodo ha permesso a me e a Zhenfei Liu di comprendere quantitativamente il comportamento del diodo".

In collaborazione con Latha Venkataraman e Luis Campos della Columbia University e i rispettivi gruppi di ricerca, Neaton e Liu hanno fabbricato un raddrizzatore ad alte prestazioni da giunzioni fatte di molecole simmetriche con risonanza molecolare in allineamento quasi perfetto con i livelli di energia degli elettroni di Fermi degli elettrodi d'oro. La simmetria è stata interrotta da una sostanziale differenza nella dimensione dell'area su ciascun elettrodo d'oro esposto alla soluzione ionica. A causa dell'area dell'elettrodo asimmetrica, la soluzione ionica, e l'allineamento del livello di energia della giunzione, una tensione positiva aumenta sostanzialmente la corrente; una tensione negativa lo sopprime in modo altrettanto significativo.

"La soluzione ionica, combinato con l'asimmetria nelle aree degli elettrodi, ci permette di controllare l'ambiente elettrostatico della giunzione semplicemente cambiando la polarità di polarizzazione, " Dice Neaton. "Oltre a rompere la simmetria, i doppi strati formati da soluzione ionica generano anche differenze di dipolo ai due elettrodi, che è la ragione alla base dello spostamento asimmetrico della risonanza molecolare. Gli esperimenti del gruppo Columbia hanno mostrato che con la stessa molecola e la stessa configurazione degli elettrodi, una soluzione non ionica non produce alcuna rettifica."

Il team del Berkeley Lab-Columbia University ritiene che il loro nuovo approccio a un diodo a molecola singola fornisca un percorso generale per la messa a punto di fenomeni di dispositivi su nanoscala non lineari che potrebbero essere applicati a sistemi oltre le giunzioni a singola molecola e i dispositivi a due terminali.

"Ci aspettiamo che la comprensione acquisita da questo lavoro sia applicabile al gating liquido ionico in altri contesti, e meccanismi da generalizzare a dispositivi fabbricati con materiali bidimensionali, " Dice Neaton. "Al di là dei dispositivi, questi minuscoli circuiti molecolari sono capsule di Petri per rivelare e progettare nuovi percorsi per la carica e il flusso di energia su scala nanometrica. Ciò che mi entusiasma di questo campo è la sua natura multidisciplinare - la necessità sia della fisica che della chimica - e il forte accoppiamento benefico tra esperimento e teoria.

"Con il crescente livello di controllo sperimentale a livello di singola molecola, e miglioramenti nella comprensione teorica e nella velocità e accuratezza di calcolo, siamo solo sulla punta dell'iceberg con ciò che possiamo comprendere e controllare su queste scale di lunghezza ridotta".

Neaton, Venkataraman e Campos sono gli autori corrispondenti di un articolo che descrive questa ricerca in Nanotecnologia della natura . Il documento è intitolato "Diodi a molecola singola con elevati rapporti di rettificazione attraverso il controllo ambientale". Altri coautori sono Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma Dell, Zhen-Fei Liu e Jeffrey Taylor.