In una nuova Nature Communications studio, i ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver costruito dispositivi a molecola singola altamente conduttivi e sintonizzabili in cui la molecola è attaccata ai conduttori utilizzando contatti diretti metallo-metallo. Il loro nuovo approccio utilizza la luce per controllare le proprietà elettroniche dei dispositivi e apre la porta a un uso più ampio di contatti metallo-metallo che potrebbero facilitare il trasporto di elettroni attraverso il dispositivo a singola molecola.
Poiché i dispositivi continuano a ridursi, anche i loro componenti elettronici devono essere miniaturizzati. I dispositivi a molecola singola, che utilizzano molecole organiche come canali conduttivi, hanno il potenziale per risolvere le sfide di miniaturizzazione e funzionalizzazione affrontate dai semiconduttori tradizionali. Tali dispositivi offrono l'entusiasmante possibilità di essere controllati dall'esterno utilizzando la luce, ma, fino ad ora, i ricercatori non sono stati in grado di dimostrarlo.
"Con questo lavoro, abbiamo sbloccato una nuova dimensione nell'elettronica molecolare, dove la luce può essere utilizzata per controllare il modo in cui una molecola si lega all'interno dello spazio tra due elettrodi metallici", ha affermato Latha Venkataraman, pioniere dell'elettronica molecolare e Lawrence Gussman Professore di Fisica applicata e professore di chimica alla Columbia Engineering. "È come premere un interruttore su scala nanometrica, aprendo tutti i tipi di possibilità per progettare componenti elettronici più intelligenti ed efficienti."
Il gruppo di Venkataraman studia le proprietà fondamentali dei dispositivi a singola molecola da quasi due decenni, esplorando l'interazione tra fisica, chimica e ingegneria su scala nanometrica. Il suo obiettivo di fondo è la costruzione di circuiti a molecola singola, una molecola collegata a due elettrodi con funzionalità diverse, in cui la struttura del circuito è definita con precisione atomica.
Il suo gruppo, così come quelli che creano dispositivi funzionali con grafene, un materiale bidimensionale a base di carbonio, sanno che realizzare buoni contatti elettrici tra elettrodi metallici e sistemi di carbonio è una sfida importante. Una soluzione potrebbe essere quella di utilizzare molecole organo-metalliche e ideare metodi per interfacciare i cavi elettrici con gli atomi metallici all'interno della molecola. A tal fine, hanno deciso di esplorare l'uso di molecole di ferrocene contenenti ferro organo-metallico, considerate anche piccoli elementi costitutivi nel mondo della nanotecnologia.
Proprio come i pezzi LEGO possono essere impilati insieme per creare strutture complesse, le molecole di ferrocene possono essere utilizzate come elementi costitutivi per costruire dispositivi elettronici ultrapiccoli. Il team ha utilizzato una molecola terminata da un gruppo ferrocenico comprendente due anelli ciclopentadienilici a base di carbonio che racchiudono un atomo di ferro.
Hanno quindi utilizzato la luce per sfruttare le proprietà elettrochimiche delle molecole a base di ferrocene per formare un legame diretto tra il centro del ferro ferrocenico e l’elettrodo d’oro (Au) quando la molecola era in uno stato ossidato (cioè quando l’atomo di ferro aveva perso uno elettrone). In questo stato, hanno scoperto che il ferrocene poteva legarsi agli elettrodi d’oro utilizzati per collegare la molecola ai circuiti esterni. Tecnicamente, l'ossidazione del ferrocene ha consentito il legame di un Au 0 a un Fe 3+ centro.
"Sfruttando l'ossidazione indotta dalla luce, abbiamo trovato un modo per manipolare questi minuscoli elementi costitutivi a temperatura ambiente, aprendo le porte a un futuro in cui la luce può essere utilizzata per controllare il comportamento dei dispositivi elettronici a livello molecolare", ha affermato il responsabile dello studio. l'autore Woojung Lee, che è un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Venkararaman.
Il nuovo approccio di Venkataraman consentirà al suo team di estendere i tipi di sostanze chimiche delle terminazioni molecolari (contatto) che possono utilizzare per creare dispositivi a molecola singola. Questo studio mostra anche la capacità di accendere e spegnere questo contatto utilizzando la luce per modificare lo stato di ossidazione del ferrocene, dimostrando un dispositivo a molecola singola a base di ferrocene commutabile con la luce. I dispositivi controllati dalla luce potrebbero aprire la strada allo sviluppo di sensori e interruttori che rispondono a specifiche lunghezze d'onda della luce, offrendo componenti più versatili ed efficienti per un'ampia gamma di tecnologie.
Ulteriori informazioni: Woojung Lee et al, Formazione guidata dalla fotoossidazione di giunzioni monomolecolari a base di ferrocene legate a Fe-Au, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45707-z
Fornito dalla Columbia University School of Engineering and Applied Science
