Cientistas da IBM medem os níveis de energia de moléculas individuais em isoladores

Shadi Fatayer , um pré-doutorado da IBM Research e o primeiro autor do artigo

Nossa compreensão da eletrônica de uma única molécula tornou-se mais clara e a resposta envolvia o uso de um item doméstico comum - o sal.

Com base em um artigo anterior em 2009, onde cientistas e colaboradores da IBM demonstraram a capacidade de medir o estado de carga de átomos individuais usando microscopia de força atômica sem contato (AFM), eles deram um passo adiante, medindo os níveis de energia de moléculas individuais em isoladores, pela primeira vez. A pesquisa está aparecendo hoje na revista de revisão por pares Nature Nanotechnology .

Inventado em meados da década de 1980, o microscópio de força atômica mede forças minúsculas entre a ponta e a amostra, como uma molécula em um suporte. A ponta é um instrumento preciso e multifuncional, que pode gerar imagens de moléculas em uma resolução sem precedentes e até mesmo acionar reações moleculares nunca antes vistas.

Eletrônicos de escala

Densidade funcional análise teórica de naftalocianina em NaCl (5 ML). Gráfico de contorno 2D da diferença de densidade de carga calculada entre NPc + e NPc0 integrado externamente a partir do plano molecular geo + geo + para a região de vácuo. (Crédito:Nature Nanotechnology)

Se você já quebrou qualquer tipo de dispositivo eletrônico, como um PC ou até mesmo um despertador digital, você teria descoberto o que é conhecido como placa de circuito impresso (PCB). Esses quadros normalmente verdes parecem mapas que mostram todos os componentes eletrônicos do dispositivo, incluindo o que é conhecido como trilhas condutoras. Esses trilhos transportam corrente elétrica, como trilhos de ferrovias, por todo o tabuleiro para que o dispositivo possa operar. As placas também incluem camadas isolantes que protegem as trilhas de vazamento de corrente. Sem essas camadas, mesmo pequenos dispositivos eletrônicos exigiriam mais energia para operar.

Ao avaliar os blocos de construção básicos desse mesmo PC ou relógio, mas na eletrônica molecular, veríamos uma configuração semelhante com moléculas únicas como trilhas condutoras e elétrons únicos sendo transferidos das moléculas. Enquanto a camada isolante é útil no PCB, o substrato isolante subjacente semelhante, nessa escala, tem outros efeitos que precisam ser considerados.

“Enquanto carrega uma molécula em um isolador, os átomos na molécula relaxam para acomodar essa carga adicional e, tão importante quanto, o mesmo acontece com os núcleos no isolador. Como a molécula está em cima de um isolador, a caracterização eletrônica desse sistema é muito difícil. ” disse Shadi Fatayer, um pré-doutorado da IBM Research e o primeiro autor do artigo.

Ele acrescenta:“Essa mudança na posição dos átomos impacta seus níveis de energia, o que tem efeitos drásticos em termos de transferência de um único elétron entre as moléculas. A taxa de transferência de elétrons pode ser ajustada para variar várias ordens de magnitude. ”

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A equipe de cientistas da IBM, University of Liverpool, Chalmers University e University of Regensburg tentou uma abordagem diferente para resolver esse problema.

Eles primeiro cultivaram múltiplas camadas de NaCl, também conhecido como cloreto de sódio ou sal, servindo como um material isolante, em cima de um substrato de metal. Tal sistema permite que as moléculas que são absorvidas no topo tenham seus estados de carga estáveis ​​e desacoplados da superfície do metal.

Em seguida, a equipe ponderou:“Como medimos as energias de reorganização?” Experimentalmente, é feito com moléculas em solução, com moléculas em cima de um metal, mas até agora não havia uma técnica que permitisse que moléculas individuais em cima de um isolante fossem investigadas.

Sua abordagem única consiste em empregar o AFM e elétrons únicos. Elétrons únicos são usados ​​para sondar as transições de estado de carga de dois estados de carga definidos em ambas as direções. No experimento, os cientistas testam seu método em uma única molécula de naftalocianina.

Pesquisadores da IBM Shadi Fatayer, Leo Gross e Gerhard Meyer em seu laboratório.

Conforme publicado anteriormente, os autores sabiam que poderiam usar o AFM de forma confiável para medir diferentes estados de carga no topo de um isolador ultrafino com sensibilidade a um único elétron. Eles também demonstraram recentemente imagens de moléculas carregadas de forma estável, bem como a transferência de elétrons únicos entre moléculas no topo de um isolador mais espesso. No entanto, a capacidade de medir as energias de reorganização requer a medição dos níveis de energia correspondentes a determinadas transições de estado de carga.

“Antes desse trabalho, sabíamos como medir a corrente elétrica através da molécula. No entanto, isso funcionou apenas em uma direção para um determinado orbital. Quando podíamos medir a energia para anexar um elétron a um determinado orbital, nunca poderíamos medir a energia para remover um elétron desse orbital e vice-versa. A capacidade de medir em ambas as direções - isso estava faltando ”, disse o físico da IBM, Leo Gross. “Com nosso método AFM, medimos os níveis de energia em ambas as direções de mudança de estado de carga em um substrato de filme fino. Mas é um trabalho extremamente exigente que lida com sinais muito fracos, o que significa que muitas medições cuidadosas são necessárias para realizar uma análise estatística adequada. ”

Ele acrescenta:“Usando essa nova metodologia, usamos a ponta e a força exercida na ponta para contar elétrons individuais. Ajustamos a altura e a voltagem da ponta e, em seguida, contamos quanto tempo leva para um elétron ir para (ou de) a ponta e, a partir disso, você pode obter os níveis de energia. ”

“Nosso maior desafio foi devido à ponta estar mais longe do que o normal para medir adequadamente os eventos de tunelamento”, acrescenta Fatayer. “As forças muito fracas que medimos se associam a correntes na escala zepto Ampère - isso é 10 a menos 21 (10 ^{- 21} ) A maioria dos físicos nunca precisa usar esse prefixo, mas fazemos isso medindo um elétron a cada vários segundos. Literalmente, usamos o AFM como um medidor de corrente de um elétron ”.

Embora esta seja uma pesquisa fundamental, as aplicações abrangem desde dispositivos eletrônicos, por exemplo, a caracterização de defeitos em chips, até fotovoltaicos e semicondutores orgânicos.