Los científicos de IBM miden los niveles de energía de moléculas individuales en aisladores

Shadi Fatayer , un predoctoral en IBM Research y el primer autor del artículo

Nuestra comprensión de la electrónica de una sola molécula se ha vuelto más clara y la respuesta involucró el uso de un artículo doméstico común:la sal.

Partiendo de un artículo anterior en 2009, donde los científicos y colaboradores de IBM demostraron la capacidad de medir el estado de carga de átomos individuales utilizando microscopía de fuerza atómica sin contacto (AFM), ahora han dado un paso más allá, midiendo los niveles de energía de moléculas individuales en aisladores, por primera vez. La investigación aparece hoy en la revista de revisión por pares Nature Nanotechnology .

Inventado a mediados de la década de 1980, el microscopio de fuerza atómica mide fuerzas diminutas entre la punta y la muestra, como una molécula sobre un soporte. La punta es un instrumento preciso y de usos múltiples, que puede obtener imágenes de moléculas con una resolución sin precedentes e incluso desencadenar reacciones moleculares nunca antes vistas.

Electrónica de escala

Densidad funcional Análisis teórico de naftalocianina sobre NaCl (5 ML). Gráfico de contorno 2D de la diferencia de densidad de carga calculada entre NPc + y NPc0 integrado hacia afuera desde el plano molecular geo + geo + a la región de vacío. (Crédito:Nanotecnología de la naturaleza)

Si alguna vez ha abierto algún tipo de dispositivo electrónico, como una PC o incluso un reloj despertador digital, habría descubierto lo que se conoce como placa de circuito impreso (PCB). Estos pizarrones típicamente verdes se ven como mapas que muestran todos los componentes electrónicos del dispositivo, incluyendo lo que se conoce como pistas conductoras. Estas vías transportan corriente eléctrica, como vías de ferrocarril, a lo largo de toda la placa para que el dispositivo pueda funcionar. Las placas también incluyen capas aislantes que protegen las pistas de las fugas de corriente. Sin estas capas, incluso los dispositivos electrónicos pequeños necesitarían más energía para funcionar.

Al evaluar los bloques de construcción básicos de esa misma PC o reloj, pero en electrónica molecular, veríamos una configuración similar con moléculas individuales como pistas conductoras y electrones individuales que se transfieren desde las moléculas. Mientras que la capa aislante es útil en la PCB, el sustrato aislante subyacente similar, a esta escala, tiene efectos adicionales que deben tenerse en cuenta.

“Mientras se carga una molécula en un aislante, los átomos de la molécula se relajarán para acomodar esta carga adicional y, lo que es igualmente importante, también lo harán los núcleos del aislante. Dado que la molécula está encima de un aislante, la caracterización electrónica de dicho sistema es muy difícil ". dijo Shadi Fatayer, un predoctorado en IBM Research y el primer autor del artículo.

Agrega:“Este cambio en la posición de los átomos afecta sus niveles de energía, lo que tiene efectos drásticos en términos de transferir un solo electrón entre moléculas. La tasa de transferencia de electrones podría ajustarse para variar varios órdenes de magnitud ”.

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El equipo de científicos de IBM, la Universidad de Liverpool, la Universidad de Chalmers y la Universidad de Regensburg probó un enfoque diferente para abordar este problema.

Primero cultivaron multicapas de NaCl, también conocido como cloruro de sodio o sal, que sirve como material aislante, sobre un sustrato metálico. Este sistema permite que las moléculas que se absorben en la parte superior tengan sus estados de carga estables y desacoplados de la superficie del metal.

Luego, el equipo reflexionó:"¿Cómo medimos las energías de reorganización?" Experimentalmente, se hace con moléculas en solución, con moléculas encima de un metal, pero hasta ahora no existía una técnica que permitiera investigar moléculas individuales encima de un aislante.

Su enfoque único consiste en emplear el AFM y electrones individuales. Se utilizan electrones individuales para sondear las transiciones de estado de carga de dos estados de carga definidos en ambas direcciones. En el experimento, los científicos prueban su método en una sola molécula de naftalocianina.

Investigadores de IBM Shadi Fatayer, Leo Gross y Gerhard Meyer en su laboratorio.

Como se publicó anteriormente, los autores sabían que podían usar de manera confiable el AFM para medir diferentes estados de carga en la parte superior de un aislante ultradelgado con sensibilidad de un solo electrón. También demostraron recientemente la obtención de imágenes de moléculas cargadas de forma estable, así como la transferencia de electrones individuales entre moléculas en la parte superior de un aislante más grueso. Sin embargo, la capacidad de medir energías de reorganización requiere medir los niveles de energía correspondientes a transiciones de estado de carga particulares.

“Antes de este trabajo, sabíamos cómo medir la corriente eléctrica a través de la molécula. Sin embargo, esto solo funcionó en una dirección para un orbital dado. Cuando pudimos medir la energía para unir un electrón a un orbital determinado, nunca podríamos medir la energía para eliminar un electrón de ese orbital y viceversa. Faltaba la capacidad de medir en ambas direcciones ”, dijo el físico de IBM Leo Gross. “Con nuestro método AFM, medimos los niveles de energía en ambas direcciones de cambio de estado de carga en un sustrato de película delgada. Pero es un trabajo increíblemente exigente que se ocupa de señales muy débiles, lo que significa que se necesitan muchas mediciones cuidadosas para realizar un análisis estadístico adecuado ".

Agrega:“Utilizando esta nueva metodología, usamos la punta y la fuerza ejercida sobre la punta para contar electrones individuales. Ajustamos la altura y el voltaje de la punta y luego contamos cuánto tiempo tarda un electrón en llegar a (o desde) la punta y de ahí se pueden obtener los niveles de energía ”.

“Nuestro mayor desafío se debió a que la punta estaba más lejos de lo normal para medir adecuadamente los eventos de túnel”, agrega Fatayer. “Las fuerzas muy débiles que medimos se asocian a corrientes en la escala zepto Ampere, es decir, 10 a menos 21 (10 ^{- 21} ). La mayoría de los físicos nunca necesitan usar este prefijo, pero lo hacemos midiendo un electrón cada varios segundos. Literalmente usamos el AFM como un medidor de corriente de un solo electrón ”.

Si bien esta es una investigación muy fundamental, las aplicaciones abarcan desde dispositivos electrónicos, por ejemplo, hasta la caracterización de defectos en chips, hasta energía fotovoltaica y semiconductores orgánicos.