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MCBJ: il futuro dell’elettronica è molecolare

Tablet, cellulari, palmari, smartphone, laptop, ricevitori GPS, lettori MP3, note-book sono i tipici esempi di “dispositivi portatili” di cui la società attuale è invasa e quasi non può farne a meno; ma come saranno i dispositivi portatili del futuro???

Domanda che sicuramente almeno una volta ci siamo posti tutti noi, ma ci sono persone che hanno voluto dare una risposta a questo quesito, incentrando su di essa la loro vita lavorativa e mediante una continua ricerca ed innovazione, sono riusciti a rivoluzionare l’attuale concezione di dispositivo portatile, dandoci la più sorprendente delle risposte: l‘elettronica del futuro sarà molecolare. Molecole che si auto-assemblano, formando  strutture stabili con una precisione che raggiunge i nanometri. È questo il futuro dell’elettronica prospettato da un nuovo studio della Aalto University di Helsinki, del Politecnico di Milano e del VTT Technical Research Centre of Finland.

L’Obiettivo principe dell’elettronica molecolare è quello di combinare circuiti elettrici con reti di singole o piccole molecole, che incorporano le più distinte funzioni elettriche. Attualmente, la maggiore sfida è quella di ridurre ulteriormente le dimensioni delle unità funzionali dei dispositivi elettronici dove il limite ultimo a cui si può aspirare è quello rappresentato dalla “SINGOLA MOLECOLA”.

Il sogno consiste proprio nell’utilizzare molecole, come nuove unità funzionali nei circuiti elettronici innovativi e quest’aspirazione ha motivato molti ricercatori, per anni. Infatti, dal dicembre 1947 in cui è stato inventato il primo transistor ai Bell Labs da W. Shockley, J. Bardeen, Brattain e W. e dal 1958, che ha visto il primo circuito integrato ( IC)  introdotto da J. Kilby in Texas Instruments, uno dei principali obbiettivi della ricerca scientifica nell’ambito della “ Fisica Elettronica ” consiste proprio nella Miniaturizzazione dei dispositivi elettronici.

Nella famosa conferenza “There’s Plenty of Room at the Bottom for Chemists”, nel 1959 Feynman avanzò l’idea di costruire strutture elettroniche a livello molecolare, operando su singole molecole come elementi funzionali nell’elaborazione di informazioni processate dai sistemi.

La prima proposta in questa direzione è stata fatta da Kuhn nel 1971 seguito nel 1974 da Aviram e Ratner che hanno dato il contributo più grande che generalizza la conduzione molecolare in elettronica molecolare, delineando un modello nel quale si indica che una singola molecola potrebbe presentare una certa conduzione elettronica preferenziale lungo l’asse molecolare.

Nel 1990 un gran numero di esperimenti nel campo dell’elettronica molecolare iniziarono ad apparire come la resistenza differenziale negativa, diodi molecolari e molecole transistor. Queste rapide crescita, nell’ ambito dell’elettronica molecolare, sono motivate dai numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali dispositivi elettronici come:

  • Costi inferiori rispetto i semiconduttori, da attrarre l’attenzione nel settore manifatturiero
  • Natura altamente interdisciplinare che è motivata dalle presenza di molteplici materie coinvolte
  • Minori dimensioni delle molecole, questo determina una maggiore capacità, maggiore velocità, incremento delle prestazioni e fornisce un mezzo per estendere la legge di Moore oltre i limiti previsti per i circuiti integrati in silicio convenzionale.

L’elevata adattabilità dell’elettronica molecolare ne rende possibile differenti utilizzi, ma il fine principale per ogni dispositivo basato su molecole è di misurare e controllare il trasporto di carica attraverso una o più molecole mediante la realizzazione di giunzioni molecolari.

Il primo step, è stato quello di integrare molecole di dimensioni nanometriche con circuiti elettronici macroscopici. Uno degli approcci a questo tipo di problema è stato quello di fabbricare degli elettrodi nano-gap verticali atti a formare giunzioni del tipo metallo-molecola-metallo. Ovviamente quando si riducono i conduttori a dimensioni atomiche come quelle molecolari, i concetti semplici come la legge di Ohm non sono più applicabili, ma bisogna considerare le teorie per piccoli conduttori in cui l’interpretazione quantistica di tali proprietà, gioca un ruolo fondamentale.

Ci sono molteplici metodi atti alla realizzazione di quest’ultimi ma solo la tecnica MCBJ( Mechanically Controllable Break Junctions), inventata da J. Moreland e J.W. Ekin nel 1985, e successivamente sviluppata da C. Muller nel 1988-1992, offre la possibilità di regolare opportunamente il gap che si genera tra i due elettrodi .Inoltre, essa presenta una notevole stabilità meccanica rendendola una delle tecniche fondamentali per la caratterizzazione delle singole molecole e in particolare per lo studio delle proprietà elettroniche di quest’ultime.

Questo approccio è stato applicato in un esperimento presso ” Centro di Ricerca di Julich “, in Germania, in collaborazione con l’università” Federico II”  di Napoli nel quale, utilizzando nano bridge in oro e/o in platino tramite un procedimento, che fa uso di un dispositivo meccanico, comandato tramite un motore piezo-elettrico, sono state caratterizzate delle giunzioni molecolari andando a misurare il flusso di corrente in esse, mediante l’uso di una singola molecola.

PRIMA MOD MCBJrealizzazione del nano-bridge in oro MCBJ

Per misurare il flusso di corrente in una giunzione, bisogna caratterizzare elettronicamente la molecola facendo una misura di conduttanza di singola molecola. Per cui sui campioni in platino si sono effettuate misure di conducibilità mediante dei ripetuti cicli di apertura e di chiusura del nano-bridge e si è realizzata un’analisi statistica, anche se su un numero di cicli limitati, a causa del fatto che i campioni  in questa fase di messa a punto del processo di fabbricazione, non sopportavano un numero elevato di cicli di apertura e di chiusura, determinando un deterioramento del nano-bridge. Quest’ultimo aspetto è legato a delle problematiche intrinseche del processo di fabbricazione dei campioni ancora in via di sviluppo, riscontrate anche da analisi AFM. Nonostante la statistica limitata sono stati ottenuti dei valori di conducibilità confrontabili con quelli della letteratura, dimostrando il corretto funzionamento del set up sperimentale, che si presta allo sviluppo di successive misure di dispostivi con molecole organiche.

terza MCBJ

Nonostante gli svantaggi che presenta tecnica MCBJ dovuti all’incontrollabilità del processo di rottura, che rende non nota la forma esatta degli elettrodi e la loro configurazione atomica, con essa abbiamo un metodo per la realizzazione di contatti metallici di dimensioni atomiche.

MCBJ è un’opportunità unica per capire il trasporto di carica che è uno dei più importanti fenomeni che caratterizza una vasta gamma di processi, spianando così la strada a nuove e più sofisticate applicazioni ,spaziando anche negli ambiti chimici e biosensoriali.

 Sara Mangiapia

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