Un team internazionale di fisici ha realizzato un transistor infinitesimale costituito da una singola molecola e alcuni atomi, servendosi di un microscopio elettronico a effetto tunnel. I ricercatori hanno scoperto che tale transistor molecolare sembra comportarsi in maniera completamente diversa da quella dei tradizionali transistor. Tale transistor potrebbe aiutare gli studi sul trasporto degli elettroni nelle nanostrutture.
Lo studio, realizzato dai fisici appartenenti al Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI), alla Freie Universität Berlin (FUB), Germania, all’NTT Basic Research Laboratories (NTT-BRL), Giappone, e allo U.S. Naval Research Laboratory (NRL), è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
I transistor hanno un canale tra due contatti esterni e un elettrodo che fa da gate per modulare il flusso di corrente attraverso il canale. Nei transistor su scala atomica, questa corrente è estremamente sensibile ai singoli elettroni molto attivi attraverso livelli di energia discreti. In studi precedenti, i ricercatori hanno esaminato il trasporto di un singolo elettrone nei transistor molecolari utilizzando approcci top-down, come ad es. la litografia e le giunzioni interrotte. Ma il controllo accurato su scala atomica del gate, fondamentale per azionare i transistor quando si tratta di dimensioni infinitesimali, non è possibile attraverso l’utilizzo di tali approcci.
Il team ha utilizzato un microscopio a effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscope, STM) altamente stabile per creare un transistor che consiste di una singola molecola organica e di alcuni atomi metallici caricati positivamente, tutti gli elementi sono stati posizionati con la punta dell’STM sulla superficie di un cristallo di arseniuro di Indio (InAs). Il dott. Kiyoshi Kanisawa, un fisico dell’NTT-BRL, ha usato la tecnica di crescita dell’epitassia a fascio molecolare per preparare questa superficie.
Successivamente, i ricercatori hanno assemblato gate elettrici posizionando gli atomi con carica +1 attraverso l’utilizzo dell’STM e hanno posizionato la molecola in diverse posizioni vicino ai gate.
«La molecola è soltanto debolmente associata al modello InAs. Così, quando portiamo la punta dell’STM molto vicino alla molecola e applichiamo una tensione di polarizzazione all’estremità della giunzione campione, i singoli elettroni possono effettuare il tunneling tra il modello di arseniuro di indio e la punta passando attraverso gli orbitali molecolari. Nel nostro caso, gli atomi carichi situati in prossimità forniscono il gate elettrostatico che regola il flusso degli elettroni e lo stato di carica della molecola» scrive il dott. Stefan Fölsch ricercatore che ha guidato il team di ricerca.
Ma c'è una sostanziale differenza tra un punto quantico semiconduttore convenzionale, che comprende generalmente centinaia o migliaia di atomi, e il nostro esempio specifico di una molecola legata alla superficie. Il dott. Steven Erwin, un fisico del Center for Computational Materials Science at NRL ed esperto nella teoria del funzionale densità (DFT), ha sottolineato che «la molecola assume diversi orientamenti rotazionali, a seconda del suo stato di carica. Questa previsione si basa sui calcoli da principi primi ed è stata confermata attraverso l’acquisizione di immagini della molecola tramite l’STM».
«Questo comportamento va oltre l'immagine consolidata del trasporto di carica attraverso un punto quantico che agisce da gate. Abbiamo invece sviluppato un modello generico che spiega le dinamiche elettroniche e orientazionali della molecola» scrive il Dr. Piet Brouwer, un fisico del FUB ed esperto in teoria del trasporto quantistico. Questo modello riproduce interamente le caratteristiche osservate del transistor a molecola singola.
La perfezione e la riproducibilità di questi transistor, realizzati attraverso l’STM, permetteranno ai ricercatori di esplorare i processi elementari che coinvolgono il flusso di corrente che scorre attraverso le singole molecole a un livello fondamentale.
Comprendere e controllare questi processi — e i nuovi tipi di comportamento a cui possono condurre — sarà importante per effettuare l'integrazione di dispositivi basati su molecole con le tecnologie esistenti dei semiconduttori.
Questa ricerca è finanziata dalla German Research Foundation, Collaborative Research Network 658.
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