Molekulární elektronika - Molecular electronics

Molekulární elektronika je studium a aplikace molekulárních stavebních bloků pro výrobu elektronických součástek. Jedná se o interdisciplinární oblast, která zahrnuje fyziku , chemii a vědu o materiálech . Sjednocující funkcí je použití molekulárních stavebních bloků k výrobě elektronických součástek. Vzhledem k vyhlídce na zmenšení velikosti elektroniky, kterou nabízí řízení vlastností na molekulární úrovni, vyvolala molekulární elektronika mnoho vzrušení. Poskytuje potenciální prostředek k rozšíření Mooreova zákona nad předpokládané limity konvenčních křemíkových integrovaných obvodů malého rozsahu .

Elektronika v molekulárním měřítku

Elektronika v molekulárním měřítku , nazývaná také elektronika s jednou molekulou, je odvětví nanotechnologií, které jako elektronické komponenty používá jednotlivé molekuly nebo kolekce jednotlivých molekul v nanoměřítku . Protože jednotlivé molekuly představují nejmenší možné stabilní struktury, je tato miniaturizace konečným cílem zmenšování elektrických obvodů .

Konvenční elektronická zařízení se tradičně vyrábějí z sypkých materiálů. Hromadné metody mají inherentní limity a jsou stále náročnější a nákladnější. Vznikla tedy myšlenka, že komponenty by mohly být místo toho vytvářeny atom za atomem v chemické laboratoři (zdola nahoru), na rozdíl od jejich vyřezávání z sypkého materiálu (shora dolů). V elektronice s jednou molekulou je sypký materiál nahrazen jednotlivými molekulami. To znamená, že místo vytváření struktur odstraněním nebo aplikací materiálu po vzorovém lešení jsou atomy spojeny v chemické laboratoři. Použité molekuly mají vlastnosti, které se podobají tradičním elektronickým součástem, jako je vodič , tranzistor nebo usměrňovač . Tento koncept použití molekuly jako tradiční elektronické komponenty poprvé představili Aviram a Ratner v roce 1974, když navrhli teoretický molekulární usměrňovač složený z donorových a akceptorových míst, která jsou od sebe izolována.

Jednomolekulární elektronika je rozvíjející se pole a celé elektronické obvody skládající se výhradně ze sloučenin o velikosti molekul jsou stále ještě velmi daleko od realizace. Díky neustálé poptávce po větším výpočetním výkonu spolu s inherentními limity současných litografických metod se však přechod zdá nevyhnutelný. V současné době se zaměřujeme na objevování molekul se zajímavými vlastnostmi a na hledání způsobů, jak získat spolehlivé a reprodukovatelné kontakty mezi molekulárními složkami a objemovým materiálem elektrod.

Molekulární elektronika pracuje v kvantové říši vzdáleností menších než 100 nanometrů. Miniaturizace až na jednotlivé molekuly přináší měřítko dolů do režimu, kde jsou důležité efekty kvantové mechaniky . Na rozdíl od běžných elektronických součástek, kde lze elektrony vyplňovat nebo vytahovat víceméně jako kontinuální tok elektrického náboje , mění přenos jediného elektronu systém významně. Při výpočtech elektronických vlastností zařízení je třeba vzít v úvahu značné množství energie v důsledku nabíjení a je vysoce citlivé na vzdálenosti k vodivým povrchům v okolí.

Grafické znázornění rotaxanu , užitečné jako molekulární přepínač

Jedním z největších problémů měření na jednotlivých molekulách je navázání reprodukovatelného elektrického kontaktu pouze s jednou molekulou a to bez zkratování elektrod. Protože současná fotolitografická technologie není schopna produkovat mezery mezi elektrodami dostatečně malé na to, aby se dotkly obou konců testovaných molekul (v řádu nanometrů), používají se alternativní strategie. Patří mezi ně mezery velikosti molekul nazývané zlomové spoje, ve kterých je tenká elektroda natahována, dokud se nerozbije. Jedním ze způsobů, jak překonat problém s velikostí mezery, je zachycení molekulárně funkcionalizovaných nanočástic (vzdálenost mezi částicemi je shodná s velikostí molekul) a později cílová molekula reakcí výměny místa. Další metodou je použití špičky rastrovacího tunelového mikroskopu (STM) ke kontaktu molekul přilepených na druhém konci ke kovovému substrátu. Další populární způsob, jak ukotvit molekuly k elektrodám, je použití vysoké chemické afinity síry ke zlatu ; i když je to užitečné, ukotvení je nespecifické, a tak kotví molekuly náhodně ke všem zlatým povrchům, a kontaktní odpor je vysoce závislý na přesné atomové geometrii kolem místa ukotvení, a tím ve své podstatě narušuje reprodukovatelnost spojení. Aby se předešlo druhé otázce, experimenty ukázaly, že fullereny by mohly být dobrým kandidátem pro použití místo síry kvůli velkému konjugovanému π-systému, který může elektricky kontaktovat mnohem více atomů najednou než jeden atom síry. Přechod od kovových elektrod k polovodičovým elektrodám umožňuje lépe přizpůsobené vlastnosti a tím i zajímavější aplikace. Existuje několik konceptů pro kontaktování organických molekul pomocí polovodičových elektrod, například pomocí nanodrátů arsenidu india se zabudovaným segmentem širšího bandgap materiálu fosfidu india použitého jako elektronická bariéra, kterou mají molekuly přemostit.

Jednou z největších překážek komerčně využívané elektroniky s jednou molekulou je nedostatek prostředků pro připojení obvodu o velikosti molekul k objemovým elektrodám způsobem, který poskytuje reprodukovatelné výsledky. Problematické je také to, že některá měření na jednotlivých molekulách se provádějí při kryogenních teplotách blízkých absolutní nule, což je velmi náročné na energii.

Dějiny

Poprvé v historii se zmiňuje molekulární elektronika v roce 1956 německý fyzik Arthur Von Hippel, který navrhl postup zdola nahoru při vývoji elektroniky z atomů a molekul místo použití prefabrikovaných materiálů, což je myšlenka, kterou nazval molekulární inženýrství. Za první průlom v oboru však mnoho pokládá článek Ratnera a Avirama z roku 1974. V tomto článku s názvem Molekulární usměrňovače představili teoretický výpočet transportu prostřednictvím modifikované molekuly přenosu náboje s donorovými akceptorovými skupinami, které by umožňovaly transport pouze v jednom směru, v podstatě jako polovodičová dioda. Jednalo se o průlom, který inspiroval mnoho let výzkumu v oblasti molekulární elektroniky.

Molekulární materiály pro elektroniku

Chemické struktury některých vodivých polymerů. Zleva vlevo po směru hodinových ručiček: polyacetylen ; polyfenylenvinylen ; polypyrol (X = NH) a polythiofen (X = S); a polyanilin (X = NH / N) a polyfenylen sulfid (X = S).

Největší výhodou vodivých polymerů je jejich zpracovatelnost, zejména disperzí . Vodivé polymery nejsou plasty , tj. Nejsou tepelně tvarovatelné, přesto jsou to organické polymery, jako (izolační) polymery. Mohou nabídnout vysokou elektrickou vodivost, ale mají jiné mechanické vlastnosti než jiné komerčně používané polymery. Elektrické vlastnosti lze doladit pomocí metod organické syntézy a pokročilé disperze.

Polymery s lineárním páteřním řetězcem, jako je polyacetylen , polypyrol a polyanilin, jsou hlavními třídami vodivých polymerů. Poly (3-alkylthiofeny) jsou archetypální materiály pro solární články a tranzistory.

Vodivé polymery mají páteř sousedících sp ² hybridizovaných uhlíkových center. Jeden valenční elektron na každém středu sídlí v ap _z orbitálu, který je kolmý k ostatním třem sigma vazbám. Elektrony v těchto delokalizovaných orbitálech mají vysokou mobilitu, když je materiál dopován oxidací, která odstraňuje některé z těchto delokalizovaných elektronů. Tak konjugované p-orbitaly tvoří jednorozměrný elektronický pás , a elektrony v tomto pásmu budou mobilní, když je vyprázdněna částečně. Navzdory intenzivnímu výzkumu je vztah mezi morfologií, strukturou řetězce a vodivostí dosud nepochopen.

Díky své špatné zpracovatelnosti mají vodivé polymery málo rozsáhlých aplikací. Mají určitý příslib v antistatických materiálech a byly zabudovány do komerčních displejů a baterií, ale měly limity kvůli výrobním nákladům, nekonzistenci materiálů, toxicitě, špatné rozpustnosti v rozpouštědlech a neschopnosti přímého tavení. Vodivé polymery si nicméně rychle získávají přitažlivost v nových použitích se stále více zpracovatelnými materiály s lepšími elektrickými a fyzickými vlastnostmi a nižšími náklady. S dostupností stabilních a reprodukovatelných disperzí získaly poly (3,4-ethylendioxythiofen) (PEDOT) a polyanilin některé aplikace ve velkém měřítku. Zatímco PEDOT se používá hlavně v antistatických aplikacích a jako průhledná vodivá vrstva ve formě disperzí PEDOT a kyseliny polystyrensulfonové (PSS, smíšená forma: PEDOT: PSS), polyanilin se široce používá k výrobě desek plošných spojů, v konečném provedení, k ochraně mědi před korozí a zabránění její pájitelnosti. Novější nanostrukturované formy vodivých polymerů poskytují tomuto poli nový impuls s jejich vyšším povrchem a lepší dispergovatelností.

Viz také

Reference

Další čtení

• Heath, JR (2009). "Molekulární elektronika". Roční přehled materiálového výzkumu . 39 : 1–23. Bibcode : 2009AnRMS..39 ... 1H . doi : 10,1146 / annurev-matsci-082908-145401 .

externí odkazy

• Média související s molekulární elektronikou na Wikimedia Commons