en nuevo Estudiar comunicaciones de la naturaleza.Los investigadores de Columbia Engineering informan que han construido dispositivos de una sola molécula sintonizables y altamente conductores en los que la molécula se une a cables mediante contactos directos de metal con metal. Su nuevo enfoque utiliza la luz para controlar las propiedades electrónicas de los dispositivos y abre la puerta a un uso más amplio de contactos metálicos que pueden facilitar la transferencia de electrones a través del dispositivo de una sola molécula.
el reto
A medida que los dispositivos siguen encogiéndose, sus componentes electrónicos también deben volverse más pequeños. Los dispositivos de una sola molécula, que utilizan moléculas orgánicas como canales conductores, tienen el potencial de resolver los desafíos de miniaturización y operación que enfrentan los semiconductores convencionales. Estos dispositivos ofrecen la interesante posibilidad de controlarse externamente mediante luz, pero hasta ahora los investigadores no han podido demostrarlo.
«Con este trabajo, hemos abierto una nueva dimensión en la electrónica molecular, donde la luz se puede utilizar para controlar cómo se une una molécula dentro del espacio entre dos electrodos metálicos», dijo. Latha Venkataraman, pionero en el campo de la electrónica molecular y profesor Lawrence Gossman de Física Aplicada y profesor de Química en Columbia Engineering. «Es como accionar un interruptor a nanoescala, abriendo todo tipo de posibilidades para diseñar componentes electrónicos más inteligentes y eficientes».
el enfoque
Grupo Venkataraman Ha estado estudiando las propiedades fundamentales de los dispositivos de una sola molécula durante casi dos décadas, explorando la interacción de la física, la química y la ingeniería a escala nanométrica. Su enfoque principal es la construcción de circuitos de una sola molécula, una molécula conectada a dos electrodos, con diversas funciones, donde la estructura del circuito se define con precisión atómica.
Su grupo, así como quienes fabrican dispositivos funcionales utilizando grafeno, un material bidimensional a base de carbono, se han dado cuenta de que realizar buenas conexiones eléctricas entre electrodos metálicos y sistemas de carbono es un gran desafío. Una solución es utilizar moléculas metálicas orgánicas e idear formas de conectar cables eléctricos a átomos metálicos dentro de la molécula. Para lograr este objetivo, decidieron explorar el uso de partículas organometálicas de ferroceno que contienen hierro, que también son pequeños componentes básicos en el mundo de la nanotecnología. Así como las piezas de LEGO se pueden apilar para crear estructuras complejas, las moléculas de ferroceno se pueden utilizar como bloques de construcción para construir dispositivos electrónicos muy pequeños. El equipo utilizó una molécula terminada por un grupo ferroceno que consta de dos anillos de ciclopentadienilo a base de carbono que rodean un átomo de hierro. Luego utilizaron luz para aprovechar las propiedades electroquímicas de las moléculas basadas en ferroceno para formar un enlace directo entre el centro de hierro del ferroceno y el electrodo de oro (Au) cuando la molécula estaba en estado oxidado (es decir, cuando el átomo de hierro perdió un electrón). ). En este caso, descubrieron que el ferroceno podía unirse a los electrodos de oro utilizados para conectar la molécula a circuitos externos. Técnicamente, la oxidación del ferroceno permitió que Au0 se uniera al centro de Fe3+.
El líder del estudio dijo: «Al aprovechar la oxidación inducida por la luz, hemos encontrado una manera de manipular estos pequeños bloques de construcción a temperatura ambiente, abriendo las puertas a un futuro en el que la luz se puede utilizar para controlar el comportamiento de los dispositivos electrónicos a nivel molecular». nivel.» El autor es Woojung Lee, estudiante de doctorado en el laboratorio de Venkararaman.
Impacto potencial
El nuevo enfoque de Venkataraman permitirá a su equipo ampliar los tipos de química de terminación molecular (contacto) que pueden utilizar para crear dispositivos de una sola molécula. Este estudio también demuestra la capacidad de activar y desactivar este contacto usando luz para cambiar el estado de oxidación del ferroceno, lo que demuestra un dispositivo de una sola molécula basado en ferroceno conmutable por luz. Los dispositivos controlados por luz podrían allanar el camino para el desarrollo de sensores e interruptores que respondan a longitudes de onda de luz específicas, proporcionando componentes más versátiles y eficientes para una amplia gama de tecnologías.
el equipo
Este trabajo fue un esfuerzo colaborativo que involucró síntesis, mediciones y cálculos. La síntesis fue realizada principalmente en la Universidad de Columbia por Michael Inkpen, quien fue postdoctorado en el grupo de Venkataraman y ahora es profesor asistente en la Universidad del Sur de California. Todas las mediciones fueron realizadas por Woojung Lee, un estudiante graduado del grupo de Venkataraman. Los cálculos fueron realizados por estudiantes graduados del grupo de Venkataraman y colaboradores de la Universidad de Ratisbona en Alemania.
Entonces que
Los investigadores ahora están explorando aplicaciones prácticas de dispositivos de una sola molécula controlados por luz. Esto podría incluir mejorar el rendimiento del dispositivo, estudiar su comportamiento en diferentes condiciones ambientales y optimizar la funcionalidad adicional que ofrece la interfaz metálica.
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