Electrónica molecular

La electrónica molecular es el estudio y la aplicación de bloques de construcción moleculares para la fabricación de componentes electrónicos. Es un área interdisciplinaria que abarca la física , la química y la ciencia de los materiales . 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 . ^{[ 1 ]}

La electrónica a escala molecular , también llamada electrónica de molécula única, es una rama de la nanotecnología que utiliza moléculas individuales, o conjuntos de moléculas individuales a nanoescala, como componentes electrónicos . Dado que las moléculas individuales constituyen las estructuras estables más pequeñas posibles, esta miniaturización es el objetivo final para la reducción del tamaño de los circuitos eléctricos .

Los dispositivos electrónicos convencionales se fabrican tradicionalmente a partir de materiales a granel. Los métodos a granel tienen limitaciones inherentes y son cada vez más exigentes y costosos. Por ello, surgió la idea de que los componentes se pudieran construir átomo a 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 molécula única, el material a granel se reemplaza por moléculas individuales. Las moléculas utilizadas poseen propiedades similares a las de los componentes electrónicos tradicionales, como un cable , un transistor o un rectificador . ^{[ 2 ]}

La electrónica de molécula única es un campo emergente, y los circuitos electrónicos completos compuestos exclusivamente por compuestos de tamaño molecular aún están lejos de ser una realidad. Actualmente, el enfoque se centra en descubrir moléculas con propiedades interesantes y en encontrar maneras de obtener contactos fiables y reproducibles entre los componentes moleculares y el material base de los electrodos. ^{[ 3 ]}

La electrónica molecular opera a distancias inferiores a 100 nanómetros. La miniaturización hasta el nivel de moléculas individuales reduce la escala a un régimen donde los efectos de la mecánica cuántica son importantes. A diferencia de los componentes electrónicos convencionales, donde los electrones pueden cargarse o extraerse prácticamente como un flujo continuo de carga eléctrica , la transferencia de un solo electrón altera significativamente el sistema. La considerable cantidad de energía debida a la carga debe tenerse en cuenta al realizar cálculos sobre las propiedades electrónicas del sistema, y ​​es altamente sensible a la distancia a las superficies conductoras cercanas.

Uno de los mayores problemas al medir moléculas individuales es establecer un contacto eléctrico reproducible con una sola molécula sin cortocircuitar los electrodos. Debido a que la tecnología fotolitográfica actual no puede producir espacios entre electrodos lo suficientemente pequeños como para contactar ambos extremos de las moléculas analizadas (del orden de nanómetros), se utilizan estrategias alternativas. Estas incluyen espacios de tamaño molecular llamados uniones de ruptura, en las que un electrodo delgado se estira hasta que se rompe. Una forma de superar el problema del tamaño del espacio es atrapando nanopartículas moleculares funcionalizadas (el espaciado entre nanopartículas se ajusta al tamaño de las moléculas) y, posteriormente, dirigiendo la molécula hacia ella mediante una reacción de intercambio de posición. ^{[ 4 ]}

Otro método consiste en utilizar la punta de un microscopio de efecto túnel (STM) para contactar moléculas adheridas en el otro extremo a un sustrato metálico. ^{[ 5 ]} Otra forma popular de anclar moléculas a los electrodos es aprovechar la alta afinidad química del azufre con el oro ; si bien es 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, lo que compromete inherentemente la reproducibilidad de la conexión. Para sortear este último problema, los experimentos han demostrado que los fullerenos podrían ser un buen candidato para su uso 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. ^{[ 6 ]}

El cambio de electrodos metálicos a electrodos semiconductores permite obtener propiedades más específicas y, por lo tanto, aplicaciones más interesantes. Existen algunos conceptos para contactar moléculas orgánicas utilizando únicamente electrodos semiconductores, por ejemplo, mediante el uso de nanocables de arseniuro de indio con un segmento incrustado de fosfuro de indio, un material con una banda prohibida más amplia, que actúa como barrera electrónica para ser superada por las moléculas. ^{[ 7 ]}

Uno de los mayores obstáculos para la explotación comercial de la electrónica de molécula única es la falta de métodos para conectar un circuito de tamaño molecular a electrodos de gran tamaño de forma que se obtengan resultados reproducibles. Otro problema es que algunas mediciones en moléculas individuales se realizan a temperaturas criogénicas , cercanas al cero absoluto, lo que consume mucha energía.

La electrónica molecular fue mencionada por primera vez en 1956 por el físico alemán Arthur von Hippel . ^{[ 8 ]} Sugirió un procedimiento ascendente para desarrollar la electrónica a partir de átomos y moléculas en lugar de utilizar materiales prefabricados, una idea que denominó ingeniería molecular. Aviram y Ratner describieron en 1974 los "rectificadores moleculares", una molécula teórica de transferencia de carga modificada con grupos donadores y aceptores que permitiría el transporte solo en una dirección, esencialmente como un diodo semiconductor. ^{[ 2 ]}

La principal ventaja de los polímeros conductores radica en su procesabilidad, principalmente mediante dispersión . Los polímeros conductores no son plásticos , es decir, no son termoformables, pero sí son polímeros orgánicos, como los polímeros aislantes. Ofrecen una alta conductividad eléctrica, pero presentan propiedades mecánicas diferentes a las de otros polímeros de uso comercial. Las propiedades eléctricas pueden ajustarse con precisión mediante métodos de síntesis orgánica ^{[ 9 ]} y de dispersión avanzada ^{[ 10 ] .}

Los polímeros de cadena 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 células solares y transistores. ^{[ 9 ]}

Los polímeros conductores tienen cadenas principales formadas por centros de carbono con hibridación sp² contiguos ^. Un electrón de valencia en cada centro reside en el orbital apz _, que es ortogonal a los otros tres enlaces sigma. Los electrones en estos orbitales deslocalizados tienen alta movilidad cuando el material se dopa mediante oxidación, lo que elimina algunos de estos electrones deslocalizados. De este modo, 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 comprende del todo. ^{[ 11 ]}

Debido a su difícil procesamiento, los polímeros conductores tienen pocas aplicaciones a gran escala. Son prometedores en materiales antiestáticos ^{[ 9 ]} y se han incorporado a pantallas y baterías comerciales, pero han tenido limitaciones debido a los costos de producción, las inconsistencias del material, la toxicidad, la baja solubilidad en solventes y la imposibilidad de procesarlos directamente por fusión. Sin embargo, los polímeros conductores están ganando rápidamente popularidad en nuevos usos con materiales cada vez más procesables con mejores propiedades eléctricas y físicas y menores costos. 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 usa principalmente en aplicaciones antiestáticas y como capa conductora transparente en forma de dispersiones de PEDOT y ácido poliestirenosulfónico (PSS, forma mixta: PEDOT:PSS), la polianilina se usa ampliamente para fabricar placas de circuitos impresos, en el acabado final, para proteger el cobre de la corrosión y evitar su soldabilidad. ^{[ 10 ]} Las nuevas formas nanoestructuradas de polímeros conductores proporcionan un nuevo impulso a este campo, con su mayor área superficial y mejor dispersabilidad.

• Heath, James R. (1 de agosto de 2009). "Electrónica molecular" . Annual Review of Materials Research . 39 (1): 1– 23. Bibcode : 2009AnRMS..39....1H . doi : 10.1146/annurev-matsci-082908-145401 .

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