La nostra comprensione dell'elettronica a molecola singola è diventata più chiara e la risposta riguardava l'uso di un comune oggetto domestico:il sale.

Basandosi su un documento precedente nel 2009, dove scienziati e collaboratori IBM hanno dimostrato la capacità di misurare lo stato di carica dei singoli atomi utilizzando la microscopia a forza atomica senza contatto (AFM), ora hanno fatto un passo in più, misurare i livelli di energia delle singole molecole sugli isolanti, per la prima volta. La ricerca appare oggi sulla rivista peer-review Nanotecnologia della natura .

Inventato a metà degli anni '80, il microscopio a forza atomica misura piccole forze tra la punta e il campione, come una molecola su un supporto. La punta è multiuso, strumento preciso, che può rappresentare molecole con una risoluzione senza precedenti e persino innescare reazioni molecolari mai viste prima.

Elettronica di ridimensionamento

Se hai mai aperto un qualsiasi tipo di dispositivo elettronico, come un PC o anche una sveglia digitale, avresti scoperto quello che è noto come un circuito stampato (PCB). Queste schede tipicamente verdi sembrano mappe che mostrano tutti i componenti elettronici del dispositivo, Compreso, quelle che sono conosciute come tracce di conduzione. Queste tracce trasportano corrente elettrica, come binari ferroviari, su tutta la scheda in modo che il dispositivo possa funzionare. Le schede includono anche strati isolanti che schermano i binari dalla dispersione di corrente. Senza questi strati, anche piccoli dispositivi elettronici richiederebbero più energia per funzionare.

Quando si valutano gli elementi costitutivi di base di quello stesso PC o orologio, ma nell'elettronica molecolare, vedremmo una configurazione simile con singole molecole come tracce conduttrici e singoli elettroni trasferiti dalle molecole. Considerando che lo strato isolante è utile sul PCB, il simile substrato isolante sottostante, a questa scala, ha ulteriori effetti che devono essere considerati.

"Mentre si carica una molecola su un isolante, gli atomi nella molecola si rilasseranno per accogliere questa carica aggiuntiva e, cosa altrettanto importante, così saranno i nuclei nell'isolante. Poiché la molecola è sopra un isolante, la caratterizzazione elettronica di tale sistema è molto difficile", ha affermato Shadi Fatayer, un pre-doc presso IBM Research e il primo autore del documento.

Aggiunge, "Questo cambiamento nella posizione degli atomi ha un impatto sui loro livelli di energia, che ha effetti drastici in termini di trasferimento di un singolo elettrone tra molecole. La velocità di trasferimento degli elettroni potrebbe essere regolata per variare di diversi ordini di grandezza".

Il team di scienziati di IBM, Università di Liverpool, La Chalmers University e l'Università di Regensburg hanno provato un approccio diverso per affrontare questo problema.

Per prima cosa sono cresciuti multistrati di NaCl, noto anche come cloruro di sodio o sale, fungendo da materiale isolante, sopra un supporto metallico. Un tale sistema consente alle molecole che vengono assorbite dall'alto di avere i loro stati di carica stabili e disaccoppiati dalla superficie metallica.

Quindi, il team ha riflettuto:"Come misuriamo le energie di riorganizzazione?" Sperimentalmente, si fa con molecole in soluzione, con molecole sopra un metallo, ma fino ad ora, non esisteva una tecnica che consentisse di indagare su singole molecole sopra un isolante.

Il loro approccio unico consiste nell'impiegare l'AFM e singoli elettroni. I singoli elettroni vengono utilizzati per sondare le transizioni di stato di carica di due stati di carica definiti in entrambe le direzioni. Nell'esperimento gli scienziati testano il loro metodo su una singola molecola di naftalocianina.

Come precedentemente pubblicato, gli autori sapevano di poter utilizzare in modo affidabile l'AFM per misurare diversi stati di carica su un isolante ultrasottile con sensibilità a un singolo elettrone. Di recente hanno anche dimostrato l'imaging di molecole con carica stabile e il trasferimento di singoli elettroni tra molecole sopra un isolante più spesso. Però, la capacità di misurare le energie di riorganizzazione richiede la misurazione dei livelli energetici corrispondenti a particolari transizioni di stato di carica.

"Prima di questo lavoro, sapevamo come misurare la corrente elettrica attraverso la molecola. Però, questo funzionava solo in una direzione per un dato orbitale. Quando abbiamo potuto misurare l'energia per attaccare un elettrone a un certo orbitale, non potremmo mai misurare l'energia per rimuovere un elettrone da quell'orbitale e viceversa. La capacità di misurare in entrambe le direzioni – questo mancava, " ha affermato il fisico IBM Leo Gross. "Con il nostro metodo AFM, misuriamo i livelli di energia in entrambe le direzioni di cambiamento dello stato di carica su un substrato a film sottile. Ma è un lavoro incredibilmente impegnativo che si occupa di segnali molto deboli, il che significa che sono necessarie molte misurazioni accurate per eseguire un'analisi statistica adeguata."

Aggiunge, "Utilizzando questa nuova metodologia, usiamo la punta e la forza esercitata sulla punta per contare i singoli elettroni. Regoliamo l'altezza e la tensione della punta e poi contiamo quanto tempo impiega un elettrone ad andare (o da) alla punta e da questo è possibile ottenere i livelli di energia".

"La nostra sfida più grande era dovuta al fatto che la punta era più lontana del normale per misurare in modo appropriato gli eventi di tunneling, " aggiunge Fatayer. "Le forze molto deboli che abbiamo misurato si associano a correnti nella scala zepto Ampere - che è 10 a meno 21 (10 ^-21 ). La maggior parte dei fisici non ha mai bisogno di usare questo prefisso, ma lo facciamo misurando un elettrone ogni diversi secondi. Usiamo letteralmente l'AFM come un misuratore di corrente a singolo elettrone".

Sebbene questa sia una ricerca molto fondamentale, le applicazioni spaziano dai dispositivi elettronici, ad esempio alla caratterizzazione dei difetti nei trucioli, al fotovoltaico e ai semiconduttori organici.