La electrónica molecular es el estudio y la aplicación de bloques de construcción moleculares para la fabricación de componentes electrónicos. Es un área interdisciplinaria que abarca la física , la química y la ciencia de los materiales . La característica unificadora es el uso de bloques de construcción moleculares para fabricar componentes electrónicos. Debido a la perspectiva de reducción de tamaño en la electrónica que ofrece el control de las propiedades a nivel molecular, la electrónica molecular ha generado mucho entusiasmo. Proporciona un medio potencial para extender la Ley de Moore más allá de los límites previstos de los circuitos integrados de silicio convencionales a pequeña escala . [1]
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 posibles, esta miniaturización es el objetivo final para reducir los circuitos eléctricos .
Los dispositivos electrónicos convencionales se fabrican tradicionalmente a partir de materiales a granel. Los métodos a granel tienen límites inherentes y son cada vez más exigentes y costosos. Así nació la idea de que los componentes podrían construirse átomo a átomo en un laboratorio de química (de abajo hacia arriba), en lugar de tallarlos a partir de material a granel (de arriba hacia abajo). En la electrónica de una sola molécula, el material a granel se reemplaza por moléculas individuales. Es decir, en lugar de crear estructuras quitando o aplicando material siguiendo un patrón, los átomos se juntan en un laboratorio de química. Las moléculas utilizadas tienen propiedades que se asemejan a los componentes electrónicos tradicionales, como un cable , un transistor o un rectificador . Este concepto de utilizar una molécula como componente electrónico tradicional fue presentado por primera vez por Aviram y Ratner en 1974, cuando propusieron un rectificador molecular teórico compuesto de sitios donantes y aceptores aislados entre sí. [2]
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. Sin embargo, la demanda continua de más potencia informática, junto con los límites inherentes de los métodos litográficos actuales, 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.
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. A diferencia de lo que ocurre en los componentes electrónicos convencionales, donde los electrones se pueden llenar o extraer más o menos como un flujo continuo de carga eléctrica , la transferencia de un solo electrón modifica significativamente el sistema. 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.
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 utilizan estrategias alternativas. Estos incluyen espacios de tamaño molecular llamados uniones de rotura, en las que se estira un electrodo delgado hasta que se rompe. Una de las formas de superar el problema del tamaño de la brecha es atrapando nanopartículas funcionalizadas molecularmente (el espaciamiento interno de las nanopartículas puede coincidir con el tamaño de las moléculas) y luego la molécula objetivo mediante una reacción de intercambio de lugar. [3] Otro método consiste en utilizar la punta de un microscopio de efecto túnel (STM) para poner en contacto moléculas adheridas en el otro extremo a un sustrato metálico. [4] Otra forma popular de anclar moléculas a los electrodos es hacer uso de la alta afinidad química del azufre con el oro ; aunque útil, el anclaje no es específico y, por lo tanto, ancla las moléculas aleatoriamente a todas las superficies de oro, y 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 solo átomo de azufre. [5] El cambio de electrodos metálicos a electrodos semiconductores permite propiedades más personalizadas y, por tanto, aplicaciones más interesantes. Existen algunos conceptos para el contacto de moléculas orgánicas utilizando electrodos solo semiconductores, por ejemplo, mediante el uso de nanocables de arseniuro de indio con un segmento incrustado del material de banda prohibida más amplia, fosfuro de indio, utilizado como barrera electrónica para ser puenteada por moléculas. [6]
Uno de los mayores obstáculos para la explotación comercial de la electrónica de una sola molécula es la falta de medios para conectar un circuito de tamaño molecular a electrodos en masa de una manera que proporcione resultados reproducibles. También es problemático que algunas mediciones de moléculas individuales se realizan a temperaturas criogénicas , cercanas al cero absoluto, lo que consume mucha energía.
La primera vez en la historia que se menciona la electrónica molecular fue en 1956 por el físico alemán Arthur Von Hippel, [7] quien sugirió un procedimiento de abajo hacia arriba para desarrollar electrónica a partir de átomos y moléculas en lugar de utilizar materiales prefabricados, una idea que denominó ingeniería molecular. Sin embargo, muchos consideran que el primer avance en este campo es el artículo de Aviram y Ratner de 1974. [8] En este artículo titulado Molecular Rectifiers, presentaron un cálculo teórico del transporte a través de una molécula de transferencia de carga modificada con grupos aceptores donantes que permitir el transporte sólo en una dirección, esencialmente como un diodo semiconductor. Este fue un gran avance que inspiró muchos años de investigación en el campo de la electrónica molecular.
La mayor ventaja de los polímeros conductores es su procesabilidad, principalmente por dispersión . Los polímeros conductores no son plásticos , es decir, no son termoformables, pero son polímeros orgánicos, como los polímeros (aislantes). Pueden ofrecer una alta conductividad eléctrica pero tienen propiedades mecánicas diferentes a las de otros polímeros utilizados comercialmente. Las propiedades eléctricas se pueden ajustar utilizando los métodos de síntesis orgánica [9] y de dispersión avanzada. [10]
Los polímeros de cadena principal lineal, como el poliacetileno , el polipirrol y la polianilina, son las principales clases de polímeros conductores. Los poli(3-alquiltiofenos) son los materiales arquetípicos para células solares y transistores. [9]
Los polímeros conductores tienen cadenas principales de centros de carbono hibridados sp 2 contiguos . Un electrón de valencia en cada centro reside en el orbital ap z , que es ortogonal a los otros tres enlaces sigma. Los electrones en estos orbitales deslocalizados tienen alta movilidad cuando el material está dopado por oxidación, lo que elimina algunos de estos electrones deslocalizados. Así, los orbitales p conjugados forman una banda electrónica unidimensional , y los electrones dentro de esta banda se vuelven móviles cuando se vacía parcialmente. A pesar de una intensa investigación, la relación entre la morfología, la estructura de la cadena y la conductividad aún no se comprende bien. [11]
Debido a su mala procesabilidad, los polímeros conductores tienen pocas aplicaciones a gran escala. Son algo prometedores en materiales antiestáticos [9] y se han incorporado a pantallas y baterías comerciales, pero han tenido limitaciones debido a los costos de producción, las inconsistencias de los materiales, la toxicidad, la escasa solubilidad en solventes y la incapacidad de fundir directamente el proceso. Sin embargo, los polímeros conductores están ganando rápidamente atractivo en nuevos usos con materiales cada vez más procesables con mejores propiedades eléctricas y físicas y costos más bajos. Con la disponibilidad de dispersiones estables y reproducibles, el poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) y la polianilina han ganado algunas aplicaciones a gran escala. Mientras que PEDOT se usa principalmente en aplicaciones antiestáticas y como capa conductora transparente en forma de dispersiones de PEDOT y ácido poliestireno sulfónico (PSS, forma mixta: PEDOT:PSS), la polianilina se usa ampliamente para fabricar placas de circuito impreso, en el acabado final, para proteger el cobre de la corrosión y evitar su soldabilidad. [10] Las nuevas formas nanoestructuradas de polímeros conductores proporcionan un nuevo impulso a este campo, con su mayor área superficial y mejor dispersabilidad.
Recientemente se ha introducido en el campo la química supramolecular, lo que brinda nuevas oportunidades para desarrollar la próxima generación de electrónica molecular. [12] [13] Por ejemplo, se logró una mejora de la intensidad de la corriente de dos órdenes de magnitud mediante la inserción de moléculas catiónicas en la cavidad del pilar[5]areno. [14]
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