Sistemas en electrónica molecular.
La construcción de un sistema electrónico utilizando moléculas individuales es una de las metas fundamentales en la nanotecnología. Para lograr esto será necesario medir, controlar y comprender el transporte de los electrones a través de moléculas en contacto con los electrodos. Se han logrado avances importantes en el último decenio y se presentan en este documento como una visión general de algunos de ellos, ver Electrónica molecular.
Los temas que abarca esta tecnologíáa incluyen cables moleculares, interruptores de dos terminales , diodos ,transistores de tres terminales y dispositivos híbridos que utilizan diferentes señales como la luz, campos magnéticos y las señales químicas y mecánicas, para controlar el transporte de electrones en las moléculas.
El transporte de electrones a través de la molécula puede ser controlado eléctricamente, magnéticamente, medios ópticos, mecánica, química y por medios electroquímicos, dando lugar a diversas aplicaciones. Para alcanzar el objetivo final, se deben utilizar técnicas experimentales para fabricar este tipo de sistema electrodo-molécula-electrodo y métodos teóricos para describir las propiedades de transporte de electrones.
Técnica experimental.
Una separación del orden de
nanómetros entre dos electrodos de metal se puede realizar, ajustado
mecánicamente mediante este método. La técnica que
se describe a continuación se denomina en ingles Mechanically Controllable Break Junctions(MCBJ) y permite conectar moleculas individuales, proveyendo un medio de estudiar
el transporte electrónico de las mismas. El principio se basa en producir
mediante la rotura de un alambre, que esta montado en una superficie que se
puede curvar, los terminals de dos alambres y estos quedan separados por una
distacia muy pequeña, que se puede ajustar, controlando el curvado de la superficie, el sistema se describe en la
siguiente figura,
En la figura se observa que el componente que deforma el substrato, el material que se puede flexionar, rompe el alambre original, quedando dos alambres separados por una distancia, los cuales son expuestos a las moléculas de interés, a modo de puente molecular para estudiar su conductancia. Una vez formado el puente molecular esta uníon se somete a fuerzas que la deforman mecánicamente, resultando diferentes configuraciones con diferentes propiedades electrónicas.
Se pueden realizar diferentes experimentos con diversas geometríáas con moléculas individuales, donde se varía el espacio entre electrodos y el desplazamiento de los niveles de energía en la molécula usada como electrodo de control ( gate ), este es el control electrostático que permite controlar el transporte electrónico a través de la molécula.
El siguiente dibujo nos describe un sistema similar, solo que este caso el elemento que ejerce preción al substrato es un tornillo,
Mecanismos moleculares de transporte
de carga.
Durante décadas de investigación la química nos presenta modelos intuitivos de la forma de conducción eĺectrica de las moléculas en solución, las claves en electrónica molecular es trasladar el modelo de la fase solución a sistemas de estado sólido. Ciertas estructuras moleculares emergen como modelos que nos muestran una transferencia electrónica en uniones moleculares.
En un semiconductor o un alambre metálico el transporte de carga es ohmico, para un dado diámetro y longitud del alambre se presenta una cierta resistencia, tal modelo no se cumple para moléculas, por la naturaleza localizada de los estados electrónicos.
En el siguiente dibujo se presentan cuatro tipos de uniones moleculares, con ejemplos de las estructuras moleculares,
En la parte izquierda,
la a, un electrodo funciona como donor y el otro como aceptor de electrones,
los electrodos est́an puenteados por una cadena lineal, alcano, en 1961, Harden
McConnell, determinó para los alcanos de cierta longitud y para pequeñas tensiones transfrencias electrónicas en las moléculas, la corriente a
trav́es de la de la unión decrece exponencialmente con un incemento de la
longitud de la cadena y la moĺecula alcano presenta una barrera de energía
que separa los dos electrodes, como se describe en forma simbólica en el
dibujo a.
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