El control atómico abre una nueva era en la optoelectrónica de una sola molécula

Investigadores del Instituto Fritz Haber han avanzado nanoescala optoelectrónica mediante el desarrollo de un método para controlar la fotoconmutación de una sola molécula con precisión atómica.

Este método utiliza plasmones de superficie localizados en plataformas semiconductoras para ajustar con precisión las configuraciones moleculares, mejorando la eficiencia y adaptabilidad del dispositivo. Esta innovación promete mejoras significativas en la miniaturización y funcionalidad de futuros dispositivos electrónicos y fotónicos, lo que podría afectar a una amplia gama de aplicaciones, incluidos sensores y células fotovoltaicas.

Descubrimiento innovador en optoelectrónica a nanoescala

La optoelectrónica a nanoescala es un campo que avanza rápidamente y se centra en el desarrollo de dispositivos electrónicos y fotónicos a escala nanométrica. Estos pequeños dispositivos tienen el potencial de revolucionar la tecnología, haciendo que los componentes sean más rápidos, más pequeños y más eficientes energéticamente. Lograr un control preciso sobre las fotorreacciones a nivel atómico es crucial para la miniaturización y optimización de estos dispositivos.

Los plasmones de superficie localizados (LSP), que son ondas de luz generadas en superficies de materiales a nanoescala, se han convertido en herramientas poderosas en este campo, capaces de limitar y mejorar los campos electromagnéticos. Hasta ahora, la aplicación de los LSP se limitaba principalmente a estructuras metálicas, lo que, según predijo el equipo, podría limitar la miniaturización de la optoelectrónica.

Más allá de la nanoescala: control de precisión atómica de la fotoconmutación

Esta investigación pionera se centra en el uso de LSP para lograr el control del nivel atómico de reacciones químicas. El equipo ha ampliado con éxito la funcionalidad LSP a plataformas de semiconductores. Utilizando una punta de plasmón resonante en un microscopio de efecto túnel de baja temperatura, permitieron el levantamiento y descenso reversible de moléculas orgánicas individuales sobre una superficie de silicio. El LSP en la punta induce la rotura y la formación de enlaces químicos específicos entre la molécula y el silicio, lo que resulta en el cambio reversible. La velocidad de cambio se puede ajustar mediante la posición de la punta con una precisión excepcional de hasta 0,01 nanómetros. Esta manipulación precisa permite cambios reversibles entre dos configuraciones moleculares diferentes.

Un aspecto clave adicional de este avance es la sintonización de la función optoelectrónica mediante modificación molecular a nivel atómico. El equipo confirmó que la fotoconmutación se inhibe en el caso de otra molécula orgánica que contiene solo un oxígeno. un átomo que no se une al silicio es reemplazado por un átomo de nitrógeno. Esta adaptación química es esencial para ajustar las propiedades de los dispositivos optoelectrónicos de una sola molécula, permitiendo el diseño de componentes con funcionalidades específicas y allanando el camino para sistemas nanooptoelectrónicos más eficientes y adaptables.

Direcciones futuras

Esta investigación aborda un obstáculo crítico en el avance de los dispositivos a nanoescala al ofrecer un método para controlar con precisión la dinámica de una reacción de una sola molécula. Además, los hallazgos sugieren que las nanouniones semiconductoras de molécula única de metal pueden servir como plataformas versátiles para la nanooptoelectrónica de próxima generación. Esto podría permitir avances significativos en los campos de los sensores, los diodos emisores de luz y las células fotovoltaicas. La manipulación precisa de moléculas individuales bajo la luz puede afectar significativamente el desarrollo de tecnologías, proporcionando capacidades y flexibilidad más amplias en el diseño de dispositivos.

Referencia: «Control de precisión atómica de la conmutación de una sola molécula inducida por plasmón en una nanounión de metal-semiconductor» por Youngwook Park, Ikutaro Hamada, Adnan Hammud, Takashi Kumagai, Martin Wolf y Akitoshi Shiotari, 7 de agosto de 2024. Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51000-w