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 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 de pequeña escala . [1]
La electrónica a escala molecular , también llamada electrónica de moléculas individuales, es una rama de la nanotecnología que utiliza moléculas individuales o conjuntos de moléculas individuales a escala nanométrica como componentes electrónicos . Debido a que las moléculas individuales constituyen las estructuras estables más pequeñas posibles, esta miniaturización es el objetivo final para reducir el tamaño de 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. Por lo tanto, 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). En la electrónica de una sola molécula, el material a granel se reemplaza por moléculas individuales. Es decir, en lugar de crear estructuras eliminando o aplicando material después de un andamiaje de 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 usar una molécula como un 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 que están aislados entre sí. [2]
La electrónica monomolecular es un campo emergente y aún queda mucho por hacer para que los circuitos electrónicos completos que consten exclusivamente de compuestos de tamaño molecular se conviertan en realidad. Sin embargo, la demanda continua de mayor potencia de cálculo, junto con las limitaciones inherentes a los métodos litográficos actuales, hacen que la transición parezca inevitable. Actualmente, el foco está puesto en descubrir moléculas con propiedades interesantes y en encontrar formas de obtener contactos fiables y reproducibles entre los componentes moleculares y el material en bruto de los electrodos.
La electrónica molecular opera a distancias inferiores a 100 nanómetros. La miniaturización 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, en los que los electrones pueden introducirse o extraerse más o menos como un flujo continuo de carga eléctrica , la transferencia de un solo electrón altera el sistema de forma significativa. La cantidad significativa de energía debida a la carga debe tenerse en cuenta al realizar cálculos sobre las propiedades electrónicas de la configuración y es muy sensible a las distancias a las superficies conductoras cercanas.
Uno de los mayores problemas a la hora de medir moléculas individuales es establecer un contacto eléctrico reproducible con una sola molécula y hacerlo sin acortar los electrodos. Debido a que la tecnología fotolitográfica actual no puede producir espacios entre electrodos lo suficientemente pequeños como para entrar en contacto con ambos extremos de las moléculas analizadas (del orden de nanómetros), se utilizan estrategias alternativas. Estas incluyen espacios de tamaño molecular llamados uniones de ruptura, en las que se estira un electrodo delgado hasta que se rompe. Una de las formas de superar el problema del tamaño del espacio es atrapando nanopartículas funcionalizadas moleculares (el espaciamiento entre nanopartículas se puede adaptar al tamaño de las moléculas) y luego apuntar a la molécula mediante una reacción de intercambio de lugar. [3]
Otro método consiste en utilizar la punta de un microscopio de efecto túnel de barrido (STM) para poner en contacto las moléculas adheridas en el otro extremo a un sustrato metálico. [4] Otra forma popular de anclar las moléculas a los electrodos es aprovechar la alta afinidad química del azufre por el oro ; aunque es útil, el anclaje no es específico y, por lo tanto, ancla las moléculas de forma aleatoria 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 fulerenos podrían ser un buen candidato para su uso en lugar del azufre debido al gran sistema π conjugado que puede contactar eléctricamente muchos más átomos a la vez que un solo átomo de azufre. [5]
El cambio de los electrodos metálicos a los electrodos semiconductores permite obtener propiedades más personalizadas y, por lo tanto, aplicaciones más interesantes. Existen algunos conceptos para poner en contacto moléculas orgánicas utilizando electrodos exclusivamente semiconductores, por ejemplo, utilizando nanocables de arseniuro de indio con un segmento incrustado de fosfuro de indio , un material de banda prohibida más amplia , utilizado como barrera electrónica para que las moléculas lo atraviesen. [6]
Uno de los mayores obstáculos para la explotación comercial de la electrónica de moléculas individuales es la falta de medios para conectar un circuito de tamaño molecular a electrodos a granel de forma que se obtengan resultados reproducibles. Otro problema es que algunas mediciones de moléculas individuales se realizan a temperaturas criogénicas , cercanas al cero absoluto, lo que consume mucha energía.
La primera vez que se menciona la electrónica molecular en la historia fue en 1956 por el físico alemán Arthur Von Hippel [7], quien sugirió un procedimiento de abajo hacia arriba para desarrollar la electrónica a partir de átomos y moléculas en lugar de usar materiales prefabricados, una idea que llamó ingeniería molecular. Sin embargo, el primer avance en el campo es considerado por muchos el artículo de Aviram y Ratner en 1974 [8]. En este artículo llamado Rectificadores moleculares, presentaron un cálculo teórico del transporte a través de una molécula de transferencia de carga modificada con grupos aceptores donantes que permitirían el transporte solo en una dirección, esencialmente como un diodo semiconductor. Este fue un 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 estructura 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 las células solares y los transistores. [9]
Los polímeros conductores tienen cadenas principales de centros de carbono hibridados sp2 contiguos . Un electrón de valencia en cada centro reside en un orbital p z , que es ortogonal a los otros tres enlaces sigma. Los electrones en estos orbitales deslocalizados tienen alta movilidad cuando el material se dopa por oxidación, que elimina algunos de estos electrones deslocalizados. Por lo tanto, 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 la investigación intensiva, la relación entre la morfología, la estructura de la cadena y la conductividad aún se entiende poco. [11]
Debido a su baja procesabilidad, los polímeros conductores tienen pocas aplicaciones a gran escala. Tienen cierta promesa en materiales antiestáticos [9] y se han incorporado en pantallas comerciales y baterías, pero han tenido limitaciones debido a los costos de producción, inconsistencias del material, toxicidad, baja solubilidad en solventes e incapacidad para el proceso de fusión directa. 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 menores costos. 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 el PEDOT se usa principalmente en aplicaciones antiestáticas y como una capa conductora transparente en forma de dispersiones de PEDOT y ácido poliestireno sulfónico (PSS, forma mixta: PEDOT:PSS), la polianilina se usa ampliamente para hacer placas de circuitos impresos, en el acabado final, para proteger el cobre de la corrosión y prevenir su soldabilidad. [10] Las formas nanoestructuradas más nuevas de polímeros conductores aportan un nuevo impulso a este campo, con su mayor área superficial y mejor dispersabilidad.
Recientemente se ha introducido en este campo la química supramolecular, que ofrece una nueva oportunidad 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 insertando moléculas catiónicas en la cavidad del pilar[5]areno. [14]
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