Pesquisadores da IBM Medem Níveis de Energia de Moléculas Individuais em Camadas Isolantes Usando Microscopia de Força Atômica

Em um avanço publicado hoje na Nature Nanotechnology, cientistas da IBM quantificaram, pela primeira vez, os níveis de energia de uma única molécula colocada em uma superfície isolante. Este marco nos aproxima um passo mais perto de realizar dispositivos eletrônicos de molécula única práticos.

Contexto

Desde os anos 1980, o microscópio de força atômica (AFM) permitiu cientistas detectar forças na ordem de piconewtons entre uma ponta afiada e uma amostra. Em 2009, IBM e colaboradores demonstraram que AFM de não-contato poderia determinar o estado de carga de átomos individuais em uma superfície. Baseando-se nesse trabalho, o estudo atual estende a técnica a moléculas únicas em camadas isolantes, superando um desafio de longa data no campo.

Metodologia

A equipe cresceu multicamadas ultrfinas de cloreto de sódio (NaCl) — sal comum — em um substrato metálico. Esta arquitetura isola a molécula do metal condutor, permitindo que seu estado de carga permaneça estável. Usando a ponta do AFM, os pesquisadores aplicaram uma voltagem finamente ajustada enquanto registravam as forças minúsculas exercidas enquanto elétrons únicos tunelavam entre a ponta e a molécula.

Medindo o tempo necessário para um elétron saltar para dentro ou fora da molécula em ambas as direções, os cientistas extraíram a energia necessária para cada transição de estado de carga. A resultante energia de reorganização — a quantidade de energia que o sistema deve gastar para acomodar uma mudança de carga — foi medida pela primeira vez em uma única molécula nesta configuração.

Principais Descobertas

O estudo focou em uma única molécula de naftalocianina (NPc). A sensibilidade de força do AFM atingiu o regime de zeptoampere (10^–21 A), permitindo detecção de um único elétron a cada poucos segundos. Esta sensibilidade sem precedentes permitiu à equipe determinar níveis de energia para processos de adição e remoção de elétrons, capacidade anteriormente ausente em estudos de molécula única.

"A capacidade de medir níveis de energia em ambas as direções faltava antes", disse o físico da IBM Leo Gross. "Nosso método AFM agora nos permite mapear a paisagem completa de estados de carga de uma molécula em um isolante.

"A mudança nas posições atômicas induzida pela carga altera significativamente os níveis de energia, potencialmente sintonizando taxas de transferência de elétrons em várias ordens de magnitude", adicionou Shadi Fatayer, primeira autora do estudo.

Implicações

Estes achados têm amplas implicações para o projeto de componentes eletrônicos na nanoescala, incluindo caracterização de defeitos em chips semicondutores, dispositivos fotovoltaicos e semicondutores orgânicos. Ao entender como moléculas individuais interagem com ambientes isolantes, engenheiros podem melhor prever e controlar transporte de carga na escala final de fabricação de dispositivos.

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1