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Rectificador unimolecular

El hidrógeno se puede eliminar de moléculas individuales de H 2 TPP aplicando un exceso de voltaje a la punta de un microscopio de efecto túnel de barrido (STAM, a); esta eliminación altera las curvas de corriente-voltaje (IV) de las moléculas de TPP, medidas utilizando la misma punta de STM, de tipo diodo (curva roja en b) a tipo resistencia (curva verde). La imagen (c) muestra una fila de moléculas de TPP, H 2 TPP y TPP. Mientras se escaneaba la imagen (d), se aplicó un exceso de voltaje a H 2 TPP en el punto negro, lo que eliminó instantáneamente el hidrógeno, como se muestra en la parte inferior de (d) y en la imagen re-escaneada (e). [1]

Un rectificador unimolecular es una molécula orgánica individual que funciona como rectificador ( conductor unidireccional ) de corriente eléctrica . La idea fue propuesta por primera vez en 1974 por Arieh (más tarde Ari) Aviram, entonces en IBM , y Mark Ratner , entonces en la Universidad de Nueva York . [2] Su publicación fue la primera propuesta teórica seria y concreta en el nuevo campo de la electrónica molecular (UE). Basándose en el efecto mesomérico de ciertos compuestos químicos sobre moléculas orgánicas, se construyó un rectificador molecular simulando la unión pn con la ayuda de compuestos químicos.

Su molécula rectificadora propuesta fue diseñada de modo que la conducción eléctrica dentro de ella fuera favorecida desde la subunidad o fracción rica en electrones (donador de electrones) hacia una fracción pobre en electrones (aceptor de electrones), pero desfavorecida (por varios electrón-voltios ) en la dirección inversa.


Investigación

Los grupos de Robert Melville Metzger, Charles A. Panetta y Daniell L. Mattern ( Universidad de Mississippi ) estudiaron muchas moléculas rectificadoras potenciales entre 1981 y 1991, pero no pudieron probar su conductividad con éxito.

Esta propuesta fue verificada en dos artículos en 1990 y 1993 por los grupos de John Roy Sambles ( Universidad de Exeter , Reino Unido ) y Geoffrey Joseph Ashwell ( Universidad de Cranfield , ahora en la Universidad de Lancaster , Reino Unido), utilizando una monocapa de tricianoquinodimetanuro de hexadecilquinolinio intercalada entre electrodos metálicos diferentes ( magnesio y platino ) [3] [4] y luego confirmada en tres artículos en 1997 y 2001 por Metzger (ahora en la Universidad de Alabama ) y colaboradores, que utilizaron metales idénticos (primero aluminio , luego oro ). [5] [6] [7]

Estos artículos utilizan monocapas Langmuir-Blodgett (de una molécula de espesor) con un estimado de 10 14 a 10 15 moléculas medidas en paralelo. El grupo de Metzger ha encontrado alrededor de nueve rectificadores similares de estructura muy diferente entre 1997 y 2006. [8] Ramakrishna Samudrala ha sintetizado algunos rectificadores orgánicos basados ​​en perileno con colas de golondrina de PEG ( polietilenglicol ) en el laboratorio de Mattern. [9] Estos rectificadores permitirían medir la rectificación con flexibilidad.

Las moléculas individuales unidas covalentemente al oro se han estudiado mediante espectroscopia de efecto túnel y algunas de ellas son rectificadores unimoleculares, estudiados como moléculas individuales, como lo demostraron los grupos de Luping Yu ( Universidad de Chicago ) y Ashwell (más tarde en la Universidad de Lancaster , Reino Unido ).

Objetivos

La idea principal de la UE (también llamada electrónica a escala molecular) es que las moléculas "electroactivas" diseñadas adecuadamente, de entre 1 y 3  nm de longitud, pueden reemplazar a los dispositivos basados ​​en silicio para reducir el tamaño de los componentes del circuito , lo que proporciona un aumento concomitante en las velocidades máximas del circuito integrado. Sin embargo, la amplificación aún no se había logrado en 2012 , y las interacciones químicas entre los electrodos metálicos y las moléculas son complejas.

Referencias

  1. ^ Zoldán, Vinícius Claudio; Faccio, Ricardo & Pasa, André Avelino (2015). "Carácter de tipo N y p de diodos de una sola molécula". Informes científicos . 5 : 8350. doi : 10.1038/srep08350. PMC  4322354 . PMID  25666850.
  2. ^ Aviram, Arieh; Ratner, Mark A. (1974). "Rectificadores moleculares". Chemical Physics Letters . 29 (2): 277. Bibcode :1974CPL....29..277A. doi :10.1016/0009-2614(74)85031-1.
  3. ^ Ashwell, GJ, Sambles, JR, Martin, AS, Parker, WG y Szablewski, M. (1990). "Características de rectificación de las estructuras de Mg|(C 16 H 33 -Q3CNQ LB film)|Pt". J. Chem. Soc. Chem. Commun. (19): 1374. doi :10.1039/C39900001374.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. ^ Martin, AS, Sambles, JR y Ashwell, GJ (1993). "Molecular rectifier". Phys. Rev. Lett . 70 (2): 218–221. Código Bibliográfico :1993PhRvL..70..218M. doi :10.1103/PhysRevLett.70.218. PMID  10053732.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ^ Xu, T., Peterson, IR, Lakshmikantham, MV y Metzger, RM (2001). "Rectificación mediante una monocapa de tricianoquinodimetanuro de hexadecilquinolinio entre electrodos de oro". Angew. Chem. Int. Ed . 40 (9): 1749–1752. doi :10.1002/1521-3773(20010504)40:9<1749::AID-ANIE17490>3.0.CO;2-O. PMID  11353499.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. ^ Metzger, RM; Chen, B., Höpfner, U., Lakshmikantham, MV, Guillaume, D, Kawai, T., Wu, X., Tachibana, H, Hughes, TV, Sakurai, TV, Baldwin, JW, Hosch, C., Cava, MP, Brehmer, L. y Ashwell, GJ (1997). "Rectificación eléctrica unimolecular en tricianoquinodimetánido de hexadecilquinolinio". J. Am. Chem. Soc . 119 (43): 10455–10466. doi :10.1021/ja971811e.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  7. ^ Metzger, RM, Xu, T. y Peterson, IR (2001). "Rectificación eléctrica mediante una monocapa de tricianoquinodimetanuro de hexadecilquinolinio medida entre electrodos de oro macroscópicos". J. Phys. Chem. B . 105 (30): 7280–7290. doi :10.1021/jp011084g.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  8. ^ Metzger, RM (2006). "Rectificadores unimoleculares: estado actual". Química Física . 326 (1): 176–187. Bibcode :2006CP....326..176M. doi :10.1016/j.chemphys.2006.02.026.
  9. ^ Samudrala, Ramakrishna (2008), Ph.D. tesis. Universidad de Misisipi