In alto:l'ossidazione in due fasi delle serie molecolari delle bis(triarilammine). In basso:la geometria della molecola del trimero più conduttivo (n=3) nella giunzione molecolare. Le regioni rosse e blu sono rappresentazioni artistiche sull'accoppiamento tra i due stati di bordo. Credito:Liang Li/Columbia University
Man mano che i nostri dispositivi diventano sempre più piccoli, l'uso delle molecole come componenti principali nei circuiti elettronici sta diventando sempre più critico. Negli ultimi 10 anni, i ricercatori hanno cercato di utilizzare singole molecole come fili conduttori a causa della loro piccola scala, delle caratteristiche elettroniche distinte e dell'elevata sintonizzabilità. Ma nella maggior parte dei fili molecolari, all'aumentare della lunghezza del filo, l'efficienza con cui gli elettroni vengono trasmessi attraverso il filo diminuisce esponenzialmente. Questa limitazione ha reso particolarmente difficile costruire un lungo filo molecolare, molto più lungo di un nanometro, che in realtà conduca bene l'elettricità.
I ricercatori della Columbia hanno annunciato oggi di aver costruito un nanofilo lungo 2,6 nanometri, che mostra un insolito aumento della conduttanza all'aumentare della lunghezza del filo e ha proprietà quasi metalliche. La sua eccellente conduttività è molto promettente per il campo dell'elettronica molecolare, consentendo ai dispositivi elettronici di diventare ancora più piccoli. Lo studio è pubblicato oggi su Nature Chemistry .
Modelli di cavi molecolari
Il team di ricercatori della Columbia Engineering e del dipartimento di chimica della Columbia, insieme a teorici tedeschi e chimici sintetici in Cina, ha esplorato progetti di fili molecolari che supporterebbero elettroni spaiati su entrambe le estremità, poiché tali fili formerebbero analoghi unidimensionali agli isolanti topologici ( TI) che sono altamente conduttivi attraverso i bordi ma isolanti al centro.
Mentre il TI 1D più semplice è composto solo da atomi di carbonio in cui i carboni terminali supportano gli stati radicali - elettroni spaiati, queste molecole sono generalmente molto instabili. Al carbonio non piace avere elettroni spaiati. La sostituzione dei carboni terminali, dove si trovano i radicali, con l'azoto aumenta la stabilità delle molecole. "Questo rende i TI 1D realizzati con catene di carbonio ma terminati con azoto molto più stabili e possiamo lavorare con questi a temperatura ambiente in condizioni ambientali", ha affermato il co-leader del team Latha Venkataraman, Lawrence Gussman Professore di Fisica Applicata e professore di chimica.
Infrangere la regola del decadimento esponenziale
Attraverso una combinazione di progettazione chimica ed esperimenti, il gruppo ha creato una serie di TI unidimensionali e ha infranto con successo la regola del decadimento esponenziale, una formula per il processo di una quantità decrescente a una velocità proporzionale al suo valore attuale. Utilizzando i due stati radicali, i ricercatori hanno generato un percorso altamente conduttivo attraverso le molecole e hanno ottenuto un "decadimento della conduttanza inversa", ovvero un sistema che mostra una conduttanza crescente all'aumentare della lunghezza del filo.
"Ciò che è veramente eccitante è che il nostro filo aveva una conduttanza della stessa scala di quella di un punto di contatto metallo-oro, suggerendo che la molecola stessa mostra proprietà quasi metalliche", ha detto Venkataraman. "Questo lavoro dimostra che le molecole organiche possono comportarsi come metalli a livello di singola molecola, contrariamente a quanto era stato fatto in passato, dove erano principalmente debolmente conduttive."
I ricercatori hanno progettato e sintetizzato una serie molecolare bis(triarylamine), che mostrava proprietà di un TI unidimensionale mediante ossidazione chimica. Hanno effettuato misurazioni della conduttanza di giunzioni a singola molecola in cui le molecole erano collegate sia agli elettrodi di sorgente che di drenaggio. Attraverso le misurazioni, il team ha dimostrato che le molecole più lunghe avevano una conduttanza più elevata, che ha funzionato fino a quando il filo non è stato più lungo di 2,5 nanometri, il diametro di un filamento di DNA umano.
Piantare le basi per ulteriori progressi tecnologici nell'elettronica molecolare
"Il laboratorio Venkataraman è sempre alla ricerca dell'interazione tra fisica, chimica e ingegneria dei dispositivi elettronici a singola molecola", ha aggiunto Liang Li, un Ph.D. studente in laboratorio e co-primo autore dell'articolo. "Quindi la creazione di questi particolari cavi getterà le basi per importanti progressi scientifici nella comprensione del trasporto attraverso questi nuovi sistemi. Siamo molto entusiasti delle nostre scoperte perché fanno luce non solo sulla fisica fondamentale, ma anche su potenziali applicazioni in futuro".
Il gruppo sta attualmente sviluppando nuovi progetti per costruire fili molecolari ancora più lunghi e ancora altamente conduttivi. + Esplora ulteriormente
