Resumen de Electron transport and phonons in atomic wires and single molecule junctions
Carlos Arroyo Rodríguez
Desde los albores de la humanidad, siempre hemos estado fascinados por las incontroladas fuerzas de la naturaleza, como los relámpagos y los truenos en una tormenta eléctrica. La primera mención sobre los fenómenos eléctricos se encuentra en los antiguos textos egipcios, escritos aproximadamente hace 4750 años. Es bien sabido que los antiguos griegos eran conscientes de los fenómenos electrostáticos producidos por el ambar, pero ellos lo consideraban como una mera curiosidad o juguete sin ninguna explicación teórica. Varios descubrimientos los siglos 18 y 19 condujeron a un notable avance en nuestro conocimiento sobre los fenómenos electromagnéticos. La revolución tenológica a finales del siglo 20 ha cambiado muchos aspectos de nuestras vidas, industria y sociedad.
Se considera que el desarrollo de la electrónica moderna comenzó en 1947, cuando Bardeen, Brattain y Shockley inventaron el transistor. El transistor, un dispositivo semicondutor para amplificar una señal eléctrica, inició una revolución en la industria de componentes electrónicos. Su pequeño tamaño, fiabilidad y durabilidad permite la reducción de tamaño en la fabricación electrónica. La industria basada en semiconductores ha visto una remarcable tendencia hacia la miniaturizacion, impulsada por muchas inovaciones científicas y tecnológicas. La miniaturización de dispositivos electrónicos tiene inherentes ventajas como mayor velocidad, menor coste y mayor densidad. Pero si ésta tendencia continúa, el tamaño de los componentes en circuitos microelectrónicos alcanzará el tamaño de átomos o moléculas.
La electrónica a escala molecular es una rama en nanotecnología dedicada al estudio y aplicación de moléculas individuales como bloques de construcción para la fabricación de componentes electrónicos. La idea de utilizar moléculas como componentes electrónicos fue propuesta en un artículo seminal de Aviram y Ratner en 1974. Este concepto presenta la posibilidad de una dramática reducción en tamaño, ya que el tamaño de una molécula es cientos de veces más pequeño que la menor estructura concebible con la tecnología semiconductora.
Además, dado que las moléculas constituyen las estructuras estables más pequeñas imaginables, esta miniaturización constituye el objetivo final en la reducción de circuitos eléctricos.
Uno de los objetivos en electrónica molecular es entender fundamentalmente y explotar las propiedades eléctricas de moleculas individuales conectadas entre electrodos conductores. El primer reto hacia la realización de tales estructuras es desarrollar métodos fiables para conectar dos electrodos a una sola molécula.
Los contactos metal-molécula-metal son de interés para mejorar nuestro conocimiento del tranporte eléctrico en la nano escala y para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos.
La invención del microscópio de efecto túnel (STM) por Binnig y Rohrer en 1982 ha dado lugar a una revolución en la investigación y manipulación de la materia a escala atómica. Una descripción completa de las propiedades de transporte en conductores de tamaño atómico requiere un tratamiento mecanocuántico de la estructura átomica y del transporte electrónico. Dos técnicas estrechamente relacionadas, STM uniones de rotura (STM-BJ) y las uniones de rotura mecánicamente controlada (MCBJ) han progresado en la pasada decada hacia la medición de las propiedades eléctricas de contactos de tamaño atómico y los contactos de una sola molécula. Para realizar contactos metal-molécula-metal, una estrategia ampliamente utilizada es sujetar la molécula con dos apropiados grupos terminales, como los tioles (-SH), que unen fuertemente la molécula entre electrodos de metal.
El objetivo principal de ésta tesis ha sido investigar el transporte de electrones en cadenas atómicas de oro y contactos de una sola molécula. Estos contactos, formados por medio de la técnica STM-BJ, son muy atractivos porque al ser tan sencillos en estructura posibilitan la realización de detallados cáculos teóricos.
Comenzando por el estudio de cadenas atómicas de oro (Cap. 3), nos hemos centrado en aspectos fundamentales relacionados con la formación de contactos moleculares en distintas condiciones experimetales, a condiciones ambiente en disolución (Cap. 4) o a bajas temperas en vacío criogénico (Cap. 5).
A bajas temperaturas, la mayoría de los modos vibracionales en un contacto de tamaño atómico están congelados. El entorno criogénico hace posible excitar y detectar modos vibracionales específicos en la parte más estrecha del contacto.
Debido a la pequeña longitud de estas estructuras, la mayoría de los electrones atraviesan el contacto sin perder energía. Sin embargo, una pequeña fracción de electrones son capaces de intercambiar energía con modos vibracionales. Estos fenómenos inelásticos son accesibles experimentalmente mediante la espectroscopía túnel de electrones inelásticos (IETS). Los resultados obtenidos en las medidas de IETS nos dan una valiosa información para caracterizar la estructura atómica y las propiedades eléctricas de cadenas atómicas de oro y contactos de una sola molécula.
