Crean un diodo eficiente hecho de una sola molécula

Bajo la dirección de Latha Venkataraman, profesora de física aplicada en la Universidad de Columbia, un grupo de investigadores ha diseñado una nueva técnica para crear un diodo de una sola molécula, y, al hacerlo, han desarrollado diodos moleculares que funcionan 50 veces mejor que todos los diseños anteriores.

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.

El grupo de Venkataraman es el primero en desarrollar un diodo de una sola molécula que puede tener aplicaciones tecnológicas del mundo real para los dispositivos a nanoescala. Su artículo se publicó ayer en la revista Nature Nanotechnology.

"Nuestro nuevo enfoque crea un diodo de una sola molécula que tiene una alta rectificación (> 250 de ratio entre el encedido y el apagado) y una corriente "de encendido" alta (~ 0,1 microamperios)", dice Venkataraman en la nota de prensa de la universidad, recogida por Newswise.

De forma simplificada, la curva característica de un diodo consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua.

"La construcción de un dispositivo en el que los elementos activos son una sola molécula ha sido durante mucho tiempo un sueño tentador en nanociencia. Este objetivo, que ha sido el santo grial de la electrónica molecular desde su creación, representa lo definitivo en miniaturización funcional que se puede lograr para un dispositivo electrónico".

Más pequeños

Como los dispositivos electrónicos cada vez son más pequeños, el campo de la electrónica molecular se ha convertido en cada vez más crucial para la solución del problema de la miniaturización, y las moléculas individuales representan el límite de la misma.

La idea de crear un diodo de una sola molécula fue sugerida por Arieh Aviram y Mark Ratner, que teorizaron en 1974 que una molécula podría actuar como un rectificador, un conductor de un solo sentido de la corriente eléctrica.

Los investigadores han estado explorando desde entonces las propiedades de transporte de carga de las moléculas, y han demostrado que se puede hacer que las moléculas individuales conectadas a electrodos de metal (uniones de una sola molécula) actúen como una variedad de elementos de circuito, incluyendo resistencias, interruptores, transistores, y, de hecho, diodos. Han visto que es posible ver los efectos de la mecánica cuántica, como la interferencia, manifestarse en las propiedades de conductancia de uniones moleculares.

Asimetría

Dado que un diodo actúa como una válvula de electricidad, su estructura debe ser asimétrica de manera que la electricidad que fluye en una dirección experimente un entorno diferente que la electricidad que fluye en la otra dirección. Con el fin de desarrollar un diodo de una sola molécula, los investigadores simplemente han diseñado moléculas que tienen estructuras asimétricas.

"Si bien este tipo de moléculas asimétricas de hecho muestran algunas propiedades de diodos, no son eficaces", explica Brian Capozzi, un estudiante de doctorado que trabaja con Venkataraman y autor principal del artículo. "Un diodo bien diseñado sólo debe permitir que la corriente fluya en una dirección -la dirección on, de encendido-, y debe permitir que una gran cantidad de corriente fluya en esa dirección. Los diseños moleculares asimétricos han sufrido normalmente de muy bajo flujo de corriente en ambas direcciones, la on y la off, y la ratio de flujo de corriente en las dos ha sido típicamente baja. Lo ideal es que la proporción de on respecto a off sea muy alta".

Con el fin de superar los problemas asociados con el diseño molecular asimétrico, el grupo de Venkataraman y sus colegas -entre ellos, varios de la Universidad de California en Berkeley- se centraron en el desarrollo de una asimetría en el entorno alrededor de la unión molecular. Lo hicieron a través de un método bastante simple: rodearon la molécula activa con una solución iónica y utilizaron electrodos de metal de oro de diferentes tamaños para contactar con la molécula.

Sus resultados obtenidos relaciones de rectificación tan altas como 250, 50 veces más que los diseños anteriores. La corriente on puede conducir más de 0,1 microamperios, que, señala Venkataraman, es una gran cantidad de corriente a través de una sola molécula. Y, debido a que esta nueva técnica se implementa tan fácilmente, se puede aplicar a todos los dispositivos a nanoescala de todo tipo, incluidos los que están hechos con electrodos de grafeno.

"Es increíble ser capaces de diseñar un circuito molecular, utilizando conceptos de la química y la física, y hacer algo funcional", dice Venkataraman. "La escala de longitud es tan pequeña que los efectos de la mecánica cuántica son absolutamente cruciales para el dispositivo. Por lo que es realmente un triunfo poder crear algo que nunca seremos capaces de ver físicamente y que se comporta según lo previsto."

Ella y su equipo están trabajando ahora en la comprensión de la física fundamental que hay detrás de su descubrimiento, y tratando de aumentar las ratios de rectificación, utilizando nuevos sistemas moleculares.

Referencia bibliográfica:

Latha Venkataraman et al.: Single-molecule diodes with high rectification ratios through environmental control. Nature Nanotechnology (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.97.