Sous la direction de Latha Venkataraman, professeur agrégé de physique appliquée à Columbia Engineering, les chercheurs ont conçu une nouvelle technique pour créer une diode à molécule unique, et, ce faisant, ils ont développé des diodes moléculaires qui fonctionnent 50 fois mieux que toutes les conceptions antérieures. Le groupe de Venkataraman est le premier à développer une diode à molécule unique qui pourrait avoir des applications technologiques dans le monde réel pour les dispositifs nanométriques. Leur papier, "Diodes à molécule unique avec des rapports marche-arrêt élevés grâce au contrôle de l'environnement, " est publié le 25 mai dans Nature Nanotechnologie .

"Notre nouvelle approche a créé une diode à molécule unique qui a une haute (> 250) redressement et un courant « on » élevé (~ 0,1 micro A), " dit Venkataraman. " Construire un appareil où les éléments actifs ne sont qu'une seule molécule a longtemps été un rêve alléchant en nanoscience. Ce but, qui a été le « Saint Graal » de l'électronique moléculaire depuis sa création avec l'article fondateur d'Aviram et Ratner en 1974, représente le nec plus ultra en matière de miniaturisation fonctionnelle qui peut être réalisée pour un appareil électronique."

Avec des appareils électroniques de plus en plus petits chaque jour, le domaine de l'électronique moléculaire est devenu de plus en plus critique pour résoudre le problème de la miniaturisation plus poussée, et les molécules uniques représentent la limite de la miniaturisation. L'idée de créer une diode à molécule unique a été suggérée par Arieh Aviram et Mark Ratner qui ont théorisé en 1974 qu'une molécule pourrait agir comme un redresseur, un conducteur unidirectionnel de courant électrique. Depuis, les chercheurs explorent les propriétés de transport de charge des molécules. Ils ont montré que des molécules uniques attachées à des électrodes métalliques (jonctions à molécule unique) peuvent être amenées à agir comme une variété d'éléments de circuit, y compris les résistances, commutateurs, transistor, et, En effet, diodes. Ils ont appris qu'il est possible de voir les effets de la mécanique quantique, comme les interférences, manifeste dans les propriétés de conductance des jonctions moléculaires.

Puisqu'une diode agit comme une vanne électrique, sa structure doit être asymétrique pour que l'électricité circulant dans une direction subisse un environnement différent de l'électricité circulant dans l'autre sens. Afin de développer une diode à molécule unique, les chercheurs ont simplement conçu des molécules qui ont des structures asymétriques.

"Bien que de telles molécules asymétriques présentent effectivement des propriétés de type diode, ils ne sont pas efficaces, " explique Brian Capozzi, un doctorant travaillant avec Venkataraman et auteur principal de l'article. « Une diode bien conçue ne devrait permettre au courant de circuler que dans un sens - le sens " marche " - et elle devrait permettre à beaucoup de courant de circuler dans cette direction. Les conceptions moléculaires asymétriques ont généralement souffert d'un très faible flux de courant dans les deux » les directions "on" et "off", et le rapport du flux de courant dans les deux a généralement été faible. Idéalement, le rapport entre le courant « on » et le courant « arrêt », le taux de rectification, devrait être très élevé."

Afin de surmonter les problèmes associés à la conception moléculaire asymétrique, Venkataraman et ses collègues – le groupe du professeur adjoint de chimie Luis Campos à Columbia et le groupe de Jeffrey Neaton à la Molecular Foundry de l'UC Berkeley – se sont concentrés sur le développement d'une asymétrie dans l'environnement autour de la jonction moléculaire. Ils ont créé une asymétrie environnementale grâce à une méthode assez simple :ils ont entouré la molécule active d'une solution ionique et ont utilisé des électrodes en métal doré de différentes tailles pour entrer en contact avec la molécule.

Leurs résultats ont atteint des taux de rectification aussi élevés que 250 :50 fois plus élevés que les conceptions précédentes. Le flux de courant « on » dans leurs appareils peut être supérieur à 0,1 microampères, lequel, Venkataraman note, c'est beaucoup de courant qui passe à travers une seule molécule. Et, parce que cette nouvelle technique est si facile à mettre en œuvre, il peut être appliqué à tous les dispositifs nanométriques de tous types, y compris ceux qui sont fabriqués avec des électrodes de graphène.

"C'est incroyable de pouvoir concevoir un circuit moléculaire, en utilisant les concepts de la chimie et de la physique, et lui faire faire quelque chose de fonctionnel, " dit Venkataraman. " L'échelle de longueur est si petite que les effets de la mécanique quantique sont absolument un aspect crucial de l'appareil. C'est donc vraiment un triomphe de pouvoir créer quelque chose que vous ne pourrez jamais voir physiquement et qui se comporte comme prévu."

Elle et son équipe travaillent maintenant à comprendre la physique fondamentale derrière leur découverte, et en essayant d'augmenter les taux de rectification qu'ils ont observés, utilisant de nouveaux systèmes moléculaires.