Un team internazionale di ricercatori guidati dal National Physical Laboratory (NPL) e dall'Università di Berna ha rivelato un nuovo modo per mettere a punto la funzionalità dei dispositivi elettronici molecolari di prossima generazione utilizzando il grafene. I risultati potrebbero essere sfruttati per sviluppare piccoli, dispositivi ad alte prestazioni per l'uso in una vasta gamma di applicazioni tra cui rilevamento molecolare, elettronica flessibile, e conversione e stoccaggio dell'energia, così come robuste configurazioni di misurazione per gli standard di resistenza.

Il campo dell'elettronica molecolare su scala nanometrica mira a sfruttare le singole molecole come elementi costitutivi per i dispositivi elettronici, per migliorare la funzionalità e consentire agli sviluppatori di raggiungere un livello senza precedenti di miniaturizzazione e controllo dei dispositivi. Il principale ostacolo che ostacola il progresso in questo campo è l'assenza di contatti stabili tra le molecole ei metalli utilizzati che possono sia operare a temperatura ambiente sia fornire risultati riproducibili.

Il grafene possiede non solo un'eccellente stabilità meccanica, ma anche proprietà elettroniche e termiche eccezionalmente elevate, rendendo il materiale 2-D emergente molto attraente per una gamma di possibili applicazioni nell'elettronica molecolare.

Un team di sperimentatori dell'Università di Berna e teorici di NPL (Regno Unito) e dell'Università dei Paesi Baschi (UPV/EHU, Spagna), con l'aiuto di collaboratori della Chuo University (Giappone), hanno dimostrato la stabilità dei dispositivi elettronici molecolari a base di grafene multistrato fino al limite della singola molecola.

Le scoperte, riportato sul giornale Progressi scientifici , rappresentano un importante cambiamento nello sviluppo dell'elettronica molecolare basata sul grafene, con le proprietà riproducibili dei contatti covalenti tra molecole e grafene (anche a temperatura ambiente) superando i limiti delle attuali tecnologie all'avanguardia basate sui metalli coniati.

Collegamento di singole molecole

L'adsorbimento di molecole specifiche su dispositivi elettronici a base di grafene consente di regolare la funzionalità del dispositivo, principalmente modificando la sua resistenza elettrica. Però, è difficile mettere in relazione le proprietà complessive del dispositivo con le proprietà delle singole molecole adsorbite, poiché le quantità medie non sono in grado di identificare eventuali grandi variazioni sulla superficie del grafene.

Il dottor Alexander Rudnev e il dottor Veerabhadrarao Kaliginedi, del Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'Università di Berna, ha eseguito misurazioni della corrente elettrica che scorre attraverso singole molecole attaccate a elettrodi di grafite o grafene multistrato utilizzando una tecnica sperimentale unica a basso rumore, che ha permesso loro di risolvere queste variazioni da molecola a molecola.

Guidato dai calcoli teorici del Dr Ivan Rungger (NPL) e del Dr Andrea Droghetti (UPV/EHU), hanno dimostrato che le variazioni sulla superficie della grafite sono molto piccole e che la natura del contatto chimico di una molecola con lo strato superiore di grafene determina la funzionalità dei dispositivi elettronici a singola molecola.

"Troviamo che progettando attentamente il contatto chimico delle molecole con i materiali a base di grafene, possiamo mettere a punto la loro funzionalità, " ha affermato il dottor Rungger. "I nostri diodi a molecola singola hanno dimostrato che la direzione di rettifica della corrente elettrica può essere effettivamente cambiata modificando la natura del contatto chimico di ciascuna molecola, " ha aggiunto il dottor Rudnev.

"Siamo fiduciosi che i nostri risultati rappresentino un passo significativo verso lo sfruttamento pratico dei dispositivi elettronici molecolari, e ci aspettiamo un cambiamento significativo nella direzione del campo di ricerca seguendo il nostro percorso di legame chimico stabile a temperatura ambiente, " ha riassunto il dottor Kaliginedi.

I risultati aiuteranno anche i ricercatori che lavorano nell'elettrocatalisi e nella ricerca sulla conversione dell'energia a progettare interfacce grafene/molecola nei loro sistemi sperimentali per migliorare l'efficienza del catalizzatore o del dispositivo.