Investigadores de IBM miden niveles de energía de moléculas individuales sobre capas aislantes mediante microscopía de fuerza atómica

En un avance publicado hoy en Nature Nanotechnology, científicos de IBM han cuantificado, por primera vez, los niveles de energía de una sola molécula situada sobre una superficie aislante. Este hito nos acerca un paso más a la realización de dispositivos electrónicos moleculares prácticos.

Antecedentes

Desde la década de 1980, el microscopio de fuerza atómica (AFM) ha permitido detectar fuerzas del orden de piconewtons entre una punta afilada y una muestra. En 2009, IBM y colaboradores demostraron que el AFM sin contacto podía determinar el estado de carga de átomos individuales en una superficie. Basándose en ese trabajo, el estudio actual extiende la técnica a moléculas individuales sobre capas aislantes, superando un desafío persistente en el campo.

Metodología

El equipo creció multicapas ultradelgadas de cloruro de sodio (NaCl) —sal común— sobre un sustrato metálico. Esta arquitectura aísla la molécula del metal conductor, permitiendo que su estado de carga permanezca estable. Usando la punta del AFM, los investigadores aplicaron un voltaje finamente ajustado mientras registraban las diminutas fuerzas ejercidas mientras electrones individuales tunelaban entre la punta y la molécula.

Al medir el tiempo requerido para que un electrón saltara hacia o desde la molécula en ambas direcciones, los científicos extrajeron la energía requerida para cada transición de estado de carga. La energía de reorganización resultante —la cantidad de energía que el sistema debe gastar para acomodar un cambio de carga— se midió por primera vez en una sola molécula en esta configuración.

Hallazgos clave

El estudio se centró en una sola molécula de naftalocianina (NPc). La sensibilidad de fuerza del AFM alcanzó el régimen de zeptoamperio (10^–21 A), permitiendo la detección de un solo electrón cada pocos segundos. Esta sensibilidad sin precedentes permitió al equipo determinar niveles de energía tanto para procesos de adición como de remoción de electrones, una capacidad que faltaba previamente en estudios de una sola molécula.

"La capacidad de medir niveles de energía en ambas direcciones faltaba antes", dijo el físico de IBM Leo Gross. "Nuestro método AFM ahora nos permite mapear el panorama completo de estados de carga de una molécula sobre un aislante.

"El cambio en las posiciones atómicas inducido por la carga altera significativamente los niveles de energía, pudiendo ajustar las tasas de transferencia de electrones en varios órdenes de magnitud", añadió Shadi Fatayer, primer autor del estudio.

Implicaciones

Estos hallazgos tienen amplias implicaciones para el diseño de componentes electrónicos nanoescalares, incluyendo la caracterización de defectos en chips semiconductores, dispositivos fotovoltaicos y semiconductores orgánicos. Al comprender cómo interactúan las moléculas individuales con entornos aislantes, los ingenieros pueden predecir y controlar mejor el transporte de carga a la escala última de fabricación de dispositivos.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1