La electrónica a escala molecular , también llamada electrónica de molécula única , es una rama de la nanotecnología que utiliza moléculas individuales, o colecciones de moléculas individuales a nanoescala , como componentes electrónicos . Debido a que las moléculas individuales constituyen las estructuras estables más pequeñas imaginables [ cita requerida ] , esta miniaturización es el objetivo final para reducir los circuitos eléctricos .
El campo a menudo se denomina simplemente " electrónica molecular ", pero este término también se usa para referirse al campo lejanamente relacionado de los polímeros conductores y la electrónica orgánica , que utiliza las propiedades de las moléculas para afectar las propiedades generales de un material. Se ha sugerido una distinción de nomenclatura para que los materiales moleculares para electrónica se refieran a este último campo de aplicaciones masivas, mientras que la electrónica a escala molecular se refiere a las aplicaciones de una sola molécula a nanoescala tratadas aquí. [1] [2]
La electrónica convencional se ha fabricado tradicionalmente a partir de materiales a granel. Desde su invención en 1958, el rendimiento y la complejidad de los circuitos integrados han experimentado un crecimiento exponencial , una tendencia denominada ley de Moore , a medida que los tamaños de las características de los componentes integrados se han reducido en consecuencia. A medida que las estructuras se contraen, aumenta la sensibilidad a las desviaciones. En unas pocas generaciones de tecnología, la composición de los dispositivos deberá controlarse con una precisión de unos pocos átomos [3] para que los dispositivos funcionen. Dado que los métodos a granel se vuelven cada vez más exigentes y costosos a medida que se acercan a sus límites inherentes, nació la idea de que los componentes podrían construirse átomo por átomo en un laboratorio de química (de abajo hacia arriba) en lugar de tallarlos a partir de material a granel ( de arriba hacia abajo ). Esta es la idea detrás de la electrónica molecular, cuya miniaturización definitiva son los componentes contenidos en moléculas individuales.
En la electrónica de una sola molécula, el material a granel se reemplaza por moléculas individuales. En lugar de formar estructuras quitando o aplicando material siguiendo un patrón, los átomos se juntan en un laboratorio de química. De esta manera, se hacen miles de millones de copias simultáneamente (normalmente se hacen más de 10 20 moléculas a la vez) mientras se controla la composición de las moléculas hasta el último átomo. Las moléculas utilizadas tienen propiedades que se asemejan a los componentes electrónicos tradicionales, como un cable , un transistor o un rectificador .
La electrónica de una sola molécula es un campo emergente y aún está muy lejos de realizarse circuitos electrónicos completos compuestos exclusivamente de compuestos de tamaño molecular. [ cita necesaria ] Sin embargo, la demanda incesante de más potencia informática, junto con los límites inherentes de los métodos litográficos a partir de 2016 [update], hacen que la transición parezca inevitable. Actualmente, la atención se centra en descubrir moléculas con propiedades interesantes y en encontrar formas de obtener contactos fiables y reproducibles entre los componentes moleculares y el material a granel de los electrodos. [ cita necesaria ]
La electrónica molecular opera a distancias inferiores a 100 nanómetros. La miniaturización hasta llegar a moléculas individuales reduce la escala a un régimen en el que los efectos de la mecánica cuántica son importantes. En los componentes electrónicos convencionales, los electrones se pueden llenar o extraer más o menos como un flujo continuo de carga eléctrica . Por el contrario, en electrónica molecular la transferencia de un electrón altera significativamente el sistema. Por ejemplo, cuando un electrón se transfiere de un electrodo fuente a una molécula, la molécula se carga, lo que dificulta mucho la transferencia del siguiente electrón (ver también bloqueo de Coulomb ). La importante cantidad de energía debida a la carga debe tenerse en cuenta al realizar cálculos sobre las propiedades electrónicas de la instalación, y es muy sensible a las distancias a las superficies conductoras cercanas.
La teoría de los dispositivos de una sola molécula es especialmente interesante porque el sistema considerado es un sistema cuántico abierto en desequilibrio (impulsado por voltaje). En el régimen de tensión de polarización baja, se puede ignorar la naturaleza de desequilibrio de la unión molecular y las características corriente-tensión del dispositivo se pueden calcular utilizando la estructura electrónica de equilibrio del sistema. Sin embargo, en regímenes de sesgo más fuertes se requiere un tratamiento más sofisticado, ya que ya no existe un principio variacional . En el caso del túnel elástico (donde el electrón que pasa no intercambia energía con el sistema), se puede utilizar el formalismo de Rolf Landauer para calcular la transmisión a través del sistema en función del voltaje de polarización y, por tanto, de la corriente. En el túnel inelástico, Ned Wingreen y Yigal Meir propusieron un formalismo elegante basado en las funciones de Green de no equilibrio de Leo Kadanoff y Gordon Baym , e independientemente de Leonid Keldysh . Esta formulación de Meir-Wingreen se ha utilizado con gran éxito en la comunidad de la electrónica molecular para examinar los casos más difíciles e interesantes en los que el electrón transitorio intercambia energía con el sistema molecular (por ejemplo, mediante acoplamiento electrón-fonón o excitaciones electrónicas).
Además, conectar moléculas individuales de manera confiable a un circuito a mayor escala ha demostrado ser un gran desafío y constituye un obstáculo importante para la comercialización.
Lo común en las moléculas utilizadas en electrónica molecular es que las estructuras contienen muchos enlaces dobles y simples alternos (ver también Sistema conjugado ). Esto se hace porque dichos patrones deslocalizan los orbitales moleculares, haciendo posible que los electrones se muevan libremente sobre el área conjugada.
El único propósito de los cables moleculares es conectar eléctricamente diferentes partes de un circuito eléctrico molecular. Como aún no se domina su ensamblaje y su conexión a un circuito macroscópico, la investigación en electrónica unimolécula se centra principalmente en las moléculas funcionalizadas: los cables moleculares se caracterizan por no contener grupos funcionales y, por tanto, están compuestos por simples repeticiones de un bloque de construcción conjugado. Entre ellos se encuentran los nanotubos de carbono , que son bastante grandes en comparación con otras propuestas pero que han mostrado propiedades eléctricas muy prometedoras.
El principal problema con los cables moleculares es obtener un buen contacto eléctrico con los electrodos para que los electrones puedan entrar y salir libremente del cable.
Los transistores de una sola molécula se diferencian fundamentalmente de los conocidos en la electrónica masiva. La puerta en un transistor convencional (efecto de campo) determina la conductancia entre la fuente y el electrodo de drenaje controlando la densidad de los portadores de carga entre ellos, mientras que la puerta en un transistor de una sola molécula controla la posibilidad de que un solo electrón salte y de la molécula modificando la energía de los orbitales moleculares. Uno de los efectos de esta diferencia es que el transistor de una sola molécula es casi binario: está encendido o apagado . Esto se opone a sus homólogos masivos, que tienen respuestas cuadráticas al voltaje de la puerta.
La cuantificación de la carga en electrones es la responsable del comportamiento marcadamente diferente en comparación con la electrónica en masa. Debido al tamaño de una sola molécula, la carga debida a un solo electrón es significativa y proporciona medios para encender o apagar un transistor ( ver bloqueo de Coulomb ). Para que esto funcione, los orbitales electrónicos de la molécula del transistor no pueden integrarse demasiado bien con los orbitales de los electrodos. Si lo son, no se puede decir que un electrón esté ubicado en la molécula o en los electrodos y la molécula funcionará como un cable.
Un grupo popular de moléculas, que pueden funcionar como material de canal semiconductor en un transistor molecular, son los oligopolifenilenvinilenos (OPV), que funcionan mediante el mecanismo de bloqueo de Coulomb cuando se colocan entre la fuente y el electrodo de drenaje de manera adecuada. [4] Los fullerenos funcionan mediante el mismo mecanismo y también se han utilizado comúnmente.
También se ha demostrado que los nanotubos de carbono semiconductores funcionan como material de canal, pero aunque son moleculares, estas moléculas son lo suficientemente grandes como para comportarse casi como semiconductores en masa .
El tamaño de las moléculas y la baja temperatura de las mediciones que se realizan hacen que los estados de la mecánica cuántica estén bien definidos. Por lo tanto, se está investigando si las propiedades de la mecánica cuántica se pueden utilizar para fines más avanzados que los transistores simples (por ejemplo, la espintrónica ).
Físicos de la Universidad de Arizona , en colaboración con químicos de la Universidad de Madrid , han diseñado un transistor monomolécula utilizando una molécula con forma de anillo similar al benceno . Físicos del Instituto Nacional de Nanotecnología de Canadá han diseñado un transistor de una sola molécula utilizando estireno. Ambos grupos esperan (los diseños no fueron verificados experimentalmente en junio de 2005 [update]) que sus respectivos dispositivos funcionen a temperatura ambiente y sean controlados por un solo electrón. [5]
Los rectificadores moleculares son imitadores de sus homólogos en masa y tienen una construcción asimétrica para que la molécula pueda aceptar electrones en un extremo pero no en el otro. Las moléculas tienen un donador de electrones (D) en un extremo y un aceptor de electrones (A) en el otro. De esta manera, el estado inestable D + – A − se creará más fácilmente que D − – A + . El resultado es que se puede pasar una corriente eléctrica a través de la molécula si los electrones se añaden a través del extremo aceptor, pero es menos fácil si se intenta lo contrario.
Uno de los mayores problemas al medir moléculas individuales es establecer un contacto eléctrico reproducible con una sola molécula y hacerlo sin cortar los electrodos. Debido a que la tecnología fotolitográfica actual no puede producir espacios entre electrodos lo suficientemente pequeños como para hacer contacto con ambos extremos de las moléculas probadas (del orden de nanómetros), se aplican estrategias alternativas.
Una forma de producir electrodos con un espacio de tamaño molecular entre ellos son las uniones rotas, en las que un electrodo delgado se estira hasta que se rompe. Otra es la electromigración . Aquí se conduce una corriente a través de un alambre delgado hasta que se funde y los átomos migran para producir la brecha. Además, el alcance de la fotolitografía convencional se puede mejorar grabando químicamente o depositando metal en los electrodos.
Probablemente la forma más sencilla de realizar mediciones en varias moléculas es utilizar la punta de un microscopio de efecto túnel (STM) para poner en contacto las moléculas adheridas en el otro extremo a un sustrato metálico. [7]
Una forma popular de anclar moléculas a los electrodos es aprovechar la alta afinidad química del azufre por el oro . En estas configuraciones, las moléculas se sintetizan de modo que los átomos de azufre se colocan estratégicamente para funcionar como pinzas de cocodrilo que conectan las moléculas a los electrodos de oro. Aunque útil, el anclaje no es específico y, por tanto, ancla las moléculas de forma aleatoria a todas las superficies de oro. Además, la resistencia de contacto depende en gran medida de la geometría atómica precisa alrededor del sitio de anclaje y, por lo tanto, compromete inherentemente la reproducibilidad de la conexión.
Para evitar este último problema, los experimentos han demostrado que los fullerenos podrían ser un buen candidato para su uso en lugar del azufre debido al gran sistema π conjugado que puede contactar eléctricamente con muchos más átomos a la vez que un átomo de azufre. [8]
En los polímeros , las moléculas orgánicas clásicas están compuestas tanto de carbono como de hidrógeno (y a veces de compuestos adicionales como nitrógeno, cloro o azufre). Se obtienen del petróleo y, a menudo, pueden sintetizarse en grandes cantidades. La mayoría de estas moléculas son aislantes cuando su longitud supera unos pocos nanómetros. Sin embargo, el carbono natural es conductor, especialmente el grafito recuperado del carbón o encontrado de otra manera. Desde un punto de vista teórico, el grafito es un semimetal , una categoría intermedia entre los metales y los semiconductores. Tiene una estructura en capas, cada hoja tiene un átomo de espesor. Entre cada hoja, las interacciones son lo suficientemente débiles como para permitir una fácil división manual.
Adaptar la lámina de grafito para obtener objetos de tamaño nanométrico bien definidos sigue siendo un desafío. Sin embargo, a finales del siglo XX, los químicos exploraban métodos para fabricar objetos de grafito extremadamente pequeños que pudieran considerarse moléculas individuales. Después de estudiar las condiciones interestelares en las que se sabe que el carbono forma cúmulos, el grupo de Richard Smalley (Universidad de Rice, Texas) organizó un experimento en el que se vaporizaba grafito mediante irradiación láser. La espectrometría de masas reveló que los grupos que contenían números mágicos específicos de átomos eran estables, especialmente aquellos grupos de 60 átomos. Harry Kroto , un químico inglés que ayudó en el experimento, sugirió una posible geometría para estos grupos: átomos unidos covalentemente con la simetría exacta de un balón de fútbol. Los grupos , denominados buckminsterfullerenos , buckybolas o C 60 , conservaron algunas propiedades del grafito, como la conductividad. Estos objetos fueron rápidamente imaginados como posibles componentes básicos de la electrónica molecular.
Al intentar medir los rasgos electrónicos de las moléculas, pueden ocurrir fenómenos artificiales que pueden ser difíciles de distinguir del comportamiento verdaderamente molecular. [9] Antes de ser descubiertos, estos artefactos se habían publicado erróneamente como características pertenecientes a las moléculas en cuestión.
La aplicación de una caída de voltaje del orden de voltios a través de una unión de tamaño nanométrico da como resultado un campo eléctrico muy fuerte. El campo puede hacer que los átomos del metal migren y eventualmente cierren la brecha mediante un filamento delgado, que puede romperse nuevamente al transportar una corriente. Los dos niveles de conductancia imitan el cambio molecular entre un estado conductor y un estado aislante de una molécula.
Otro artefacto encontrado es cuando los electrodos sufren reacciones químicas debido a la alta intensidad del campo en el espacio. Cuando se invierte la polarización de voltaje , la reacción provocará histéresis en las mediciones que pueden interpretarse como de origen molecular.
Un grano metálico entre los electrodos puede actuar como un transistor de un solo electrón mediante el mecanismo descrito anteriormente, asemejándose así a las características de un transistor molecular. Este artefacto es especialmente común con los nanoespacios producidos por el método de electromigración.
Uno de los mayores obstáculos para la explotación comercial de la electrónica de una sola molécula es la falta de métodos para conectar un circuito de tamaño molecular a electrodos en masa de una manera que proporcione resultados reproducibles. En el estado actual, la dificultad de conectar moléculas individuales supera con creces cualquier posible aumento de rendimiento que podría obtenerse con dicha contracción. Las dificultades empeoran si las moléculas deben tener una determinada orientación espacial y/o tener múltiples polos para conectarse.
También es problemático que algunas mediciones de moléculas individuales se llevan a cabo a temperaturas criogénicas (cercanas al cero absoluto), lo que consume mucha energía. Esto se hace para reducir el ruido de la señal lo suficiente como para medir las débiles corrientes de moléculas individuales.
En su tratamiento de los llamados complejos donante-aceptor en la década de 1940, Robert Mulliken y Albert Szent-Györgyi propusieron el concepto de transferencia de carga en las moléculas. Posteriormente perfeccionaron aún más el estudio de la transferencia de carga y de energía en las moléculas. Asimismo, un artículo de 1974 de Mark Ratner y Ari Aviram ilustró un rectificador molecular teórico . [10]
En 1988, Aviram describió en detalle un transistor de efecto de campo teórico de una sola molécula . Forrest Carter, del Laboratorio de Investigación Naval , propuso otros conceptos , incluidas las puertas lógicas de una sola molécula . Bajo su égida se presentó una amplia gama de ideas en una conferencia titulada Dispositivos electrónicos moleculares en 1988. [11] Se trataba de construcciones teóricas y no de dispositivos concretos. La medición directa de las características electrónicas de moléculas individuales estaba a la espera del desarrollo de métodos para realizar contactos eléctricos a escala molecular. Esta no fue una tarea fácil. Por lo tanto, el primer experimento que midió directamente la conductancia de una sola molécula solo fue reportado en 1995 en una sola molécula de C 60 por C. Joachim y JK Gimzewsky en su artículo fundamental Physical Review Letter y más tarde en 1997 por Mark Reed y sus colaboradores. en unos pocos cientos de moléculas. Desde entonces, esta rama del campo ha avanzado rápidamente. Asimismo, a medida que ha sido posible medir dichas propiedades directamente, las predicciones teóricas de los primeros investigadores se han confirmado sustancialmente.
El concepto de electrónica molecular se publicó en 1974 cuando Aviram y Ratner sugirieron una molécula orgánica que podría funcionar como rectificador. [12] Teniendo un enorme interés comercial y fundamental, se puso mucho esfuerzo en demostrar su viabilidad, y 16 años después, en 1990, Ashwell y sus compañeros realizaron la primera demostración de un rectificador molecular intrínseco para una película delgada de moléculas.
La primera medición de la conductancia de una sola molécula fue realizada en 1994 por C. Joachim y JK Gimzewski y publicada en 1995 (ver el artículo Phys. Rev. Lett. correspondiente). Esta fue la conclusión de 10 años de investigación iniciada en IBM TJ Watson, utilizando el ápice de la punta del microscopio de efecto túnel para cambiar una sola molécula, como ya exploraron A. Aviram, C. Joachim y M. Pomerantz a finales de los años 1980 (ver su artículo fundamental Chem. Lett. El truco consistía en utilizar un microscopio de barrido de túnel UHV para permitir que el ápice de la punta tocara suavemente la parte superior de una sola C.
60Molécula adsorbida sobre una superficie de Au(110). Se registró una resistencia de 55 MOhms junto con un IV lineal de bajo voltaje. El contacto se certificó registrando la propiedad de distancia actual Iz, que permite medir la deformación del C
60jaula bajo contacto. A este primer experimento le siguió el resultado reportado utilizando un método de unión de rotura mecánica para conectar dos electrodos de oro a un cable molecular terminado en azufre por Mark Reed y James Tour en 1997. [13]
Los avances recientes en nanotecnología y nanociencia han facilitado el estudio tanto experimental como teórico de la electrónica molecular. El desarrollo del microscopio de efecto túnel (STM) y, posteriormente, del microscopio de fuerza atómica (AFM) ha facilitado enormemente la manipulación de componentes electrónicos de una sola molécula. Además, los avances teóricos en electrónica molecular han facilitado una mayor comprensión de los eventos de transferencia de carga no adiabática en las interfaces electrodo-electrolito. [14] [15]
C. Joachim y JK Gimzewski implementaron un amplificador de molécula única en IBM Zurich. Este experimento, que involucra un C
60molécula, demostró que una de esas moléculas puede proporcionar ganancia en un circuito a través de efectos de interferencia cuántica intramolecular únicamente.
Una colaboración de investigadores de Hewlett-Packard (HP) y la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), dirigida por James Heath, Fraser Stoddart, R. Stanley Williams y Philip Kuekes, ha desarrollado una electrónica molecular basada en rotaxanos y catenanos .
También se está trabajando en el uso de nanotubos de carbono de pared simple como transistores de efecto de campo. La mayor parte de este trabajo lo realiza International Business Machines ( IBM ).
En 2002, como parte del escándalo de Schön , se demostró que algunos informes específicos sobre un transistor de efecto de campo basado en monocapas moleculares autoensambladas eran fraudulentos . [dieciséis]
Hasta hace poco, totalmente teórico, el modelo de Aviram-Ratner para un rectificador unimolecular ha sido confirmado sin ambigüedades en experimentos realizados por un grupo dirigido por Geoffrey J. Ashwell en la Universidad de Bangor , Reino Unido. [17] [18] [19] Hasta ahora se han identificado muchas moléculas rectificadoras, y el número y la eficiencia de estos sistemas está creciendo rápidamente.
La electrónica supramolecular es un nuevo campo que involucra la electrónica a nivel supramolecular .
Una cuestión importante en la electrónica molecular es la determinación de la resistencia de una sola molécula (tanto teórica como experimental). Por ejemplo, Bumm y col. utilizó STM para analizar un solo interruptor molecular en una monocapa autoensamblada para determinar qué tan conductora puede ser dicha molécula. [20] Otro problema que enfrenta este campo es la dificultad de realizar una caracterización directa, ya que la obtención de imágenes a escala molecular suele ser difícil en muchos dispositivos experimentales.