Eletrônica e eletroquímica em escala nanométrica: fundamentos e aplicações

Resumo

A ligação química covalente de moléculas sobre eletrodos condutores e o controle das propriedades da junção em nanoescala é o estado da arte para eletrônica molecular e eletroquímica molecular. Na presente proposta, sugerimos medir processos eletrônicos dependentes do tempo como acessados por métodos de impedância para estudos fundamentais e aplicações de diferentes tipos de junções de nanoescala em um ambiente eletroquímico. Os métodos de impedância devem ser suportados por outras técnicas complementares, como sonda de Kelvin, microscopia eletroquímica de varredura, espectroscopia de infravermelho de transformação de Fourier e simulações computacionais. A essência da problemática é que recentemente foi demonstrado que o fenômeno capacitivo e resistivo envolvido com a dinâmica dos elétrons em uniões em escala molecular embutidos em um ambiente eletrólito são regidos por princípios mesoscópicos. Embora isso seja demonstrado, a física mesoscópica da nanoeletrônica e a eletroquímica são marginalmente exploradas até agora. Em particular, foi demonstrado (pelo nosso grupo de pesquisa) que a eletroquímica de um conjunto molecular bidimensional feito de contatos de pontos moleculares individuais é um caso particular de um circuito de capacitação de resistência quântica. A troca de corrente elétrica intrínseca (ressonância) entre os locais acessíveis eletroquímicos e o eletrodo é iluminada considerando conjuntos quânticos capacitivos quânticos (uma coleção de contatos de pontos quânticos individuais paralelos) de tal forma que a taxa de transferência de elétrons, que regula a taxa de eletroquímica reações, é dada por k = G/C¼, em que C¼ é a capacitância eletroquímica e G é a condutância que acompanha a fórmula de Landauer. Surpreendentemente, esta equação simples reconcilia eletrônica molecular e eletroquímica e sua utilidade é demonstrada no acesso à energia para o carregamento de interruptores redox moleculares (na energia Fermi da interface) e, portanto, usam esses switches como transdutores de energia em diagnósticos moleculares. Além disso, os conceitos também foram aplicados na obtenção da condutância de nanofios de DNA (em diferentes vertentes duplas quimicamente projetadas) e, finalmente, em explicar o fenômeno de supercapacitação de camadas moleculares de grafeno reduzidas. Mesmo assim, o uso de interruptores moleculares especificamente projetados e camadas semicondutoras (orgânicas ou inorgânicas) sob diferentes condições estimulativas elétricas ou ópticas ainda não estão totalmente explorado tanto em características fundamentais como experimentais, de modo que este constitui o objetivo principal da presente proposta aliada à continuação da pesquisa de interruptores projetados para diagnóstico molecular. Para isso, estamos reunindo diferentes expertises. (AU)