Un obiettivo importante nel campo dell'elettronica molecolare, che mira a utilizzare singole molecole come componenti elettronici, è quello di creare un dispositivo in cui un quantizzato, flusso di carica controllabile può essere ottenuto a temperatura ambiente. Un primo passo in questo campo è che i ricercatori dimostrino che singole molecole possono funzionare come elementi di circuito riproducibili come transistor o diodi che possono funzionare facilmente a temperatura ambiente.

Un team guidato da Latha Venkataraman, professore di fisica applicata e chimica alla Columbia Engineering e Xavier Roy, assistente professore di chimica (Arti e scienze), pubblicato uno studio in Nanotecnologia della natura questo è il primo a dimostrare in modo riproducibile il blocco attuale, la capacità di commutare un dispositivo dallo stato isolante a quello conduttivo in cui la carica viene aggiunta e rimossa un elettrone alla volta, utilizzando cluster molecolari atomicamente precisi a temperatura ambiente.

Bonnie Choi, uno studente laureato nel gruppo Roy e co-autore dell'opera, ha creato un singolo cluster di atomi ordinati geometricamente con un nucleo inorganico composto da soli 14 atomi, con un diametro di circa 0,5 nanometri, e posizionato dei linker che hanno collegato il nucleo a due elettrodi d'oro, proprio come un resistore è saldato a due elettrodi metallici per formare un circuito elettrico macroscopico (ad esempio il filamento in una lampadina).

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica del microscopio a effetto tunnel di cui sono stati pionieri per creare giunzioni comprendenti un singolo cluster collegato ai due elettrodi d'oro, che ha permesso loro di caratterizzare la sua risposta elettrica mentre variavano la tensione di polarizzazione applicata. La tecnica consente loro di fabbricare e misurare migliaia di giunzioni con caratteristiche di trasporto riproducibili.

"Abbiamo scoperto che questi cluster possono funzionare molto bene come diodi su nanoscala a temperatura ambiente la cui risposta elettrica possiamo adattare modificando la loro composizione chimica, " dice Venkataraman. "In teoria, un singolo atomo è il limite più piccolo, ma i dispositivi a singolo atomo non possono essere fabbricati e stabilizzati a temperatura ambiente. Con questi cluster molecolari, abbiamo il controllo completo sulla loro struttura con precisione atomica e possiamo cambiare la composizione e la struttura degli elementi in modo controllabile per suscitare una certa risposta elettrica."

Numerosi studi hanno utilizzato punti quantici per produrre effetti simili, ma poiché i punti sono molto più grandi e di dimensioni non uniformi, per la natura della loro sintesi, i risultati non sono stati riproducibili:non tutti i dispositivi realizzati con punti quantici si sono comportati allo stesso modo. Il team di Venkataraman-Roy ha lavorato con cluster molecolari inorganici più piccoli identici per forma e dimensioni, quindi sapevano esattamente, fino alla scala atomica, cosa stavano misurando.

"La maggior parte degli altri studi ha creato dispositivi a molecola singola che funzionavano come transistor a elettrone singolo a quattro gradi Kelvin, ma per qualsiasi applicazione del mondo reale, questi dispositivi devono funzionare a temperatura ambiente. E i nostri lo fanno, "dice Giacomo Lovat, un ricercatore post-dottorato e co-autore del documento. "Abbiamo costruito un transistor su scala molecolare con più stati e funzionalità, in cui abbiamo il controllo sulla quantità precisa di carica che scorre attraverso. È affascinante vedere che semplici cambiamenti chimici all'interno di una molecola, può avere una profonda influenza sulla struttura elettronica delle molecole, portando a diverse proprietà elettriche."

Il team ha valutato le prestazioni del diodo attraverso il rapporto on/off, che è il rapporto tra la corrente che attraversa il dispositivo quando è acceso e la corrente residua ancora presente nello stato "spento". A temperatura ambiente, hanno osservato un rapporto on/off di circa 600 nelle giunzioni a cluster singolo, superiore a qualsiasi altro dispositivo a singola molecola misurato fino ad oggi. Particolarmente interessante era il fatto che queste giunzioni fossero caratterizzate da una modalità di flusso di carica "sequenziale"; ogni elettrone che transitava attraverso una giunzione a grappolo si fermava sull'ammasso per un po'. Generalmente, nelle giunzioni di piccole molecole, gli elettroni "spinti" attraverso la giunzione dalla polarizzazione applicata fanno il salto continuamente, da un elettrodo all'altro, cosicché il numero di elettroni sulla molecola in ogni istante di tempo non è ben definito.

"Diciamo che il cluster diventa "carico" poiché, per un breve intervallo di tempo prima che l'elettrone in transito salti nell'altro elettrodo metallico, memorizza un costo aggiuntivo, "dice Roy. "Così sequenziale, o discreto, la modalità di conduzione è dovuta alla peculiare struttura elettronica dell'ammasso che confina gli elettroni in orbitali fortemente localizzati. Questi orbitali spiegano anche il regime di "blocco di corrente" osservato quando viene applicata una bassa tensione di polarizzazione a una giunzione di cluster. La corrente scende a un valore molto piccolo a bassa tensione poiché gli elettroni nel contatto metallico non hanno energia sufficiente per occupare uno degli orbitali del cluster. All'aumentare della tensione, il primo orbitale a grappolo che diventa energeticamente accessibile apre una strada praticabile per gli elettroni che ora possono saltare dentro e fuori dall'ammasso, con conseguenti eventi di "carica" ​​e "scarica" ​​consecutivi. Il blocco è revocato, e la corrente inizia a scorrere attraverso la giunzione."

I ricercatori hanno adattato i cluster per esplorare l'impatto del cambiamento di composizione sulla risposta elettrica dei cluster e hanno pianificato di basarsi sul loro studio iniziale. Progetteranno sistemi cluster migliorati con migliori prestazioni elettriche (ad es. rapporto di corrente on/off più elevato, diversi stati accessibili), e aumentare il numero di atomi nel nucleo del cluster mantenendo la precisione atomica e l'uniformità del composto. Ciò aumenterebbe il numero di livelli di energia, ciascuno corrispondente a una certa orbita elettronica a cui possono accedere con la loro finestra di tensione. L'aumento dei livelli di energia avrebbe un impatto sul rapporto di accensione/spegnimento del dispositivo, forse anche diminuendo la potenza necessaria per accendere il dispositivo se più livelli di energia diventano accessibili per gli elettroni in transito a basse tensioni di polarizzazione.

"La maggior parte delle indagini sul trasporto di singole molecole sono state eseguite su semplici molecole organiche perché sono più facili da lavorare, " osserva Venkataraman. "Il nostro sforzo collaborativo qui attraverso la Columbia Nano Initiative unisce chimica e fisica, permettendoci di sperimentare nuovi composti, come questi cluster molecolari, che potrebbe non solo essere più sinteticamente impegnativo, ma anche più interessanti come componenti elettrici."