Electrónica molecular

La electrónica molecular es el estudio y la aplicación de componentes básicos 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 a pequeña escala.

Electrónica a escala molecular

La electrónica a escala molecular, también denominada electrónica de molécula única, es una rama de la nanotecnología que utiliza moléculas únicas o conjuntos de moléculas únicas 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. 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 quitando o aplicando material después de un andamio de patrones, 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 por sitios donantes y aceptores que están aislados entre sí.

La electrónica de molécula única es un campo emergente, y los circuitos electrónicos completos que consisten exclusivamente en compuestos de tamaño molecular aún están muy lejos de realizarse. Sin embargo, la continua demanda de más poder de cómputo, 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 en el ámbito cuántico de distancias inferiores a 100 nanómetros. La miniaturización hasta moléculas individuales reduce la escala a un régimen en el que los efectos de la mecánica cuántica son importantes. En contraste con el caso de los componentes electrónicos convencionales, donde los electrones pueden llenarse o extraerse más o menos como un flujo continuo de carga eléctrica, la transferencia de un solo electrón altera significativamente el sistema. La cantidad significativa de energía debido 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.

Representación gráfica de un rotaxano, útil como interruptor molecular

Uno de los mayores problemas con la medición de 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 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 ruptura, en las que un electrodo delgado se estira hasta que se rompe. Una de las formas de superar el problema del tamaño de la brecha es atrapar nanopartículas moleculares funcionalizadas (el espacio entre nanopartículas es compatible con el tamaño de las moléculas) y luego la molécula objetivo por reacción de intercambio de lugar. Otro método consiste en utilizar la punta de un microscopio de túnel de barrido (STM) para hacer contacto con moléculas adheridas en el otro extremo a un sustrato de metal. 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 usar 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. El cambio de electrodos metálicos a electrodos semiconductores permite propiedades más personalizadas y, por lo tanto, aplicaciones más interesantes. Existen algunos conceptos para contactar 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 ancha, el fosfuro de indio, que se utiliza como barrera electrónica para ser puenteada por moléculas.

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 a granel de una manera que proporcione resultados reproducibles. También es problemático que algunas mediciones en moléculas individuales se realicen a temperaturas criogénicas, cercanas al cero absoluto, lo que consume mucha energía.

Historia

La primera vez en la historia que se menciona la electrónica molecular fue en 1956 por el físico alemán Arthur Von Hippel, quien sugirió un procedimiento ascendente para desarrollar electrónica a partir de átomos y moléculas en lugar de usar materiales prefabricados, una idea que denominó ingeniería molecular. Sin embargo, el primer avance en el campo es considerado por muchos el artículo de Aviram y Ratner en 1974. En este artículo llamado Molecular Rectifiers, 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 semiconductor. diodo. Este fue un gran avance que inspiró muchos años de investigación en el campo de la electrónica molecular.

Materiales moleculares para electrónica

Estructuras químicas de algunos polímeros conductivos. De la parte superior izquierda del reloj: poliacetileno; vinileno de polifenileno; polipirrolo (X = NH) y politiofeno (X = S); y polianilina (X = NH/N) y sulfuro de polifenileno (X = S).

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 comerciales. Las propiedades eléctricas se pueden afinar utilizando los métodos de síntesis orgánica y de dispersión avanzada.

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.

Los polímeros conductores tienen columnas vertebrales 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 una gran 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 la intensa investigación, la relación entre la morfología, la estructura de la cadena y la conductividad aún no se conoce bien.

Debido a su pobre procesabilidad, los polímeros conductores tienen pocas aplicaciones a gran escala. Son prometedores en cuanto a materiales antiestáticos y se han integrado en pantallas y baterías comerciales, pero han tenido límites debido a los costos de producción, las inconsistencias de los materiales, la toxicidad, la poca solubilidad en solventes y la incapacidad para derretir 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 obtenido algunas aplicaciones a gran escala. Mientras que el PEDOT se utiliza principalmente en aplicaciones antiestáticas y como una capa conductora transparente en forma de dispersiones de PEDOT y poliestireno sulfónico (PSS, forma mixta: PEDOT:PSS), la polianilina se utiliza ampliamente para fabricar placas de circuito impreso, en el acabado final, para proteger el cobre de la corrosión y evitar su soldabilidad. Las formas nanoestructuradas más nuevas de polímeros conductores brindan un nuevo impulso a este campo, con su mayor área de superficie y mejor dispersabilidad.