Dưới sự hướng dẫn của Latha Venkataraman, phó giáo sư vật lý ứng dụng tại Columbia Engineering, các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công điôt đơn phân tử có hệ số chỉnh lưu cao hơn 50 lần so với tất cả các thiết kế trước đó. Nhóm nghiên cứu của Venkataraman là nhóm đầu tiên phát triển thành công điôt đơn phân tử có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị kích cỡ nano.

“Cách tiếp cận mới của chúng tôi đã tạo ra được điôt đơn phân tử có hệ số chỉnh lưu cao (>250) và dòng điện “mở” cao (~0,1 micro Amps). Việc tạo ra một thiết bị có các phần tử hoạt động chỉ là một đơn phân tử từ lâu đã là mơ ước của các nhà khoa học trong lĩnh vực khoa học nano”, Venkataraman cho biết.

Do các thiết bị điện tử ngày càng thu nhỏ nên lĩnh vực điện tử phân tử càng trở nên quan trọng hơn trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến việc thu nhỏ hơn nữa kích thước của các thiết bị và các đơn phân tử đại diện cho giới hạn thu nhỏ này. Ý tưởng chế tạo các điôt đơn phân tử được hai nhà khoa học Arieh Aviram và Mark Ratner đề xuất vào năm 1974. Theo lý thuyết của họ, một phân tử có thể hoạt động giống như một máy chỉnh lưu, một chất dẫn dòng điện một chiều. Từ đó cho tới nay, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu các tính chất dẫn truyền điện tích của các phân tử. Họ cho thấy rằng các đơn phân tử được gắn vào các điện cực kim loại (liên kết đơn phân tử) có thể hoạt động giống như các phần tử mạch điện, bao gồm điện trở, chuyển mạch, bóng bán dẫn và điôt. Họ cũng biết rằng có thể quan sát được những hiệu ứng cơ lượng tử, như hiện tượng giao thoa, biểu hiện qua các tính dẫn của các liên kết phân tử.

Do điôt hoạt động giống như một cái van điện cho nên cấu trúc của nó cần phải bất đối xứng để dòng điện truyền theo một chiều. Do đó để phát triển được một điôt đơn phân tử, các nhà khoa học phải thiết kế các phân tử có cấu trúc bất đối xứng.

Theo Brian Capozzi, nghiên cứu sinh, đồng tác giả công trình nghiên cứu giải thích: Các phân tử bất đối xứng như vậy biểu hiện một số tính chất giống điôt nhưng chúng hoạt động không hiệu quả. Một điôt có thiết kế tốt chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều - chiều “mở” - và nó cho phép nhiều dòng điện chạy theo chiều đó. Các phân tử có thiết kế bất đối xứng thông thường có lưu lượng dòng điện rất thấp ở cả chiều “mở” và “đóng” và hệ số lưu lượng dòng trong cả hai chiều thường thấp. Lý tưởng nhất là hệ số giữa dòng “mở” và “đóng”, hệ số chỉnh lưu, phải rất cao.

Để khắc phục những vấn đề liên quan đến thiết kế phân tử bất đối xứng, Venkataraman và các đồng nghiệp đã chú trọng phát triển một cấu trúc bất đối xứng trong môi trường xung quanh phân tử liên kết. Họ đã tạo ra được một môi trường bất đối xứng thông qua một kỹ thuật khá đơn giản - họ bao quanh các phân tử hoạt tính bằng dung dịch ion và sử dụng các điện cực bằng vàng có kích cỡ khác nhau để liên kết phân tử.

Kết quả thu được là hệ số chỉnh lưu lớn hơn 250, cao hơn 50 lần so với các thiết kế trước đây. Lưu lượng dòng “mở” trong các thiết bị của họ lớn hơn 0.1 micro amps và có nhiều dòng điện đi qua một đơn phân tử. Do kỹ thuật mới này rất dễ thực hiện cho nên nó có thể áp dụng cho tất cả các thiết bị kích cỡ nano, bao gồm cả những thiết bị được làm bằng các điện cực graphene.

Đây là một thành quả lớn khi có thể thiết kế một mạch đơn phân tử, bằng việc áp dụng các khái niệm hóa học và vật lý và cho nó thực hiện chức năng nào đó. Chiều dài của mạch nhỏ đến mức những tác động của cơ học lượng tử là khía cạnh hoàn toàn quyết định các cấu trúc của thiết bị.

Venkataraman và nhóm nghiên cứu đang tiến hành nghiên cứu những điều kiện vật lý cơ bản  đằng sau khám phá của họ và họ cũng đang cố gắng tạo ra các hệ số chỉnh lưu cao hơn bằng cách sử dụng các hệ thống phân tử mới.

Nguồn: Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam