Молекулярная электроника - Molecular electronics

Молекулярная электроника это исследование и применение молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. Это междисциплинарная область, охватывающая физика, химия, и материаловедение. Объединяющая особенность - использование молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. В связи с перспективой уменьшения размеров электроники за счет контроля свойств на молекулярном уровне, молекулярная электроника вызвала большой интерес. Он предоставляет потенциальные средства для расширения Закон Мура за пределами предполагаемых пределов мелкомасштабного обычного кремния интегральные схемы.^[1]

Электроника на молекулярном уровне

Молекулярная шкала электроника, также называемая электроникой на одной молекуле, является ответвлением нанотехнологии который использует отдельные молекулы или наноразмерные коллекции отдельных молекул, как электронные компоненты. Поскольку одиночные молекулы представляют собой самые маленькие из возможных стабильных структур, такая миниатюризация является конечной целью сокращения электрические схемы.

Обычные электронные устройства традиционно изготавливаются из сыпучих материалов. Массовые методы имеют определенные ограничения, они становятся все более требовательными и дорогостоящими. Таким образом, родилась идея, что компоненты могут вместо этого создаваться атом за атомом в химической лаборатории (снизу вверх), а не вырезаться из объемного материала (сверху вниз). В электронике с одной молекулой объемный материал заменяется одиночными молекулами. То есть вместо того, чтобы создавать структуры путем удаления или нанесения материала на каркас узора, атомы собирают вместе в химической лаборатории. Используемые молекулы имеют свойства, напоминающие традиционные электронные компоненты, такие как провод, транзистор, или же выпрямитель. Эта концепция использования молекулы в качестве традиционного электронного компонента была впервые представлена Авирамом и Ратнером в 1974 году, когда они предложили теоретический молекулярный выпрямитель, состоящий из донорных и акцепторных участков, которые изолированы друг от друга.^[2]

Одномолекулярная электроника - развивающаяся область, и целые электронные схемы, состоящие исключительно из соединений молекулярного размера, все еще очень далеки от реализации. Однако постоянный спрос на большую вычислительную мощность вместе с ограничениями, присущими современным литографическим методам, делают переход неизбежным. В настоящее время основное внимание уделяется обнаружению молекул с интересными свойствами и поиску способов получения надежных и воспроизводимых контактов между молекулярными компонентами и основным материалом электродов.

Молекулярная электроника работает в квантовая сфера расстояний менее 100 нм. Миниатюризация до отдельных молекул снижает масштаб до режима, при котором квантовая механика эффекты важны. В отличие от обычных электронных компонентов, где электроны может быть заполнен или вытянут более или менее как непрерывный поток электрический заряд перенос одного электрона существенно меняет систему. При расчетах электронных свойств установки необходимо учитывать значительное количество энергии, вызываемой зарядкой, и она очень чувствительна к расстояниям до проводящих поверхностей поблизости.

Графическое представление ротаксан, полезен в качестве молекулярного переключателя.

Одна из самых больших проблем при измерении одиночных молекул - это установить воспроизводимый электрический контакт только с одной молекулой и сделать это без короткого замыкания электродов. Потому что нынешний фотолитографический технология не может создать зазоры между электродами, достаточно малые, чтобы контактировать с обоими концами тестируемых молекул (порядка нанометров). К ним относятся зазоры молекулярного размера, называемые разрывными соединениями, в которых тонкий электрод растягивается до разрыва. Один из способов решения проблемы размера зазора - захват молекулярных функционализированных наночастиц (расстояние между наночастицами соответствует размеру молекул), а затем целевой молекулы путем реакции обмена местами.^[3] Другой метод - использовать кончик сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для контакта молекул, прикрепленных другим концом к металлической подложке.^[4] Еще один популярный способ прикрепить молекулы к электродам - это использовать сера высокий химическое сродство к золото; Несмотря на свою полезность, закрепление неспецифично и, таким образом, случайным образом закрепляет молекулы на всех золотых поверхностях, и Контактное сопротивление сильно зависит от точной атомной геометрии вокруг места крепления и, таким образом, по своей сути ставит под угрозу воспроизводимость соединения. Чтобы обойти последнюю проблему, эксперименты показали, что фуллерены может быть хорошим кандидатом для использования вместо серы из-за большой сопряженной π-системы, которая может электрически контактировать с гораздо большим количеством атомов одновременно, чем один атом серы.^[5] Переход от металлических электродов к полупроводник Электроды обеспечивают более индивидуальные свойства и, следовательно, более интересные применения. Существуют некоторые концепции контакта органических молекул с использованием только полупроводниковых электродов, например, с использованием арсенид индия нанопровода со встроенным сегментом из более широкой запрещенной зоны фосфид индия используется как электронный барьер, который преодолевается молекулами.^[6]

Одним из самых больших препятствий для коммерческого использования электроники с одной молекулой является отсутствие средств для соединения схемы молекулярного размера с объемными электродами таким образом, чтобы получить воспроизводимые результаты. Также проблематично то, что некоторые измерения отдельных молекул выполняются при криогенные температуры, около абсолютного нуля, что требует больших затрат энергии.

Молекулярные материалы для электроники

Химические структуры некоторых проводящих полимеров. Сверху слева по часовой стрелке: полиацетилен; полифенилен винилен; полипиррол (X = NH) и политиофен (X = S); и полианилин (X = NH / N) и полифениленсульфид (Х = S).

Самым большим преимуществом проводящих полимеров является их технологичность, в основном разброс. Проводящие полимеры не пластмассы, т.е. они не поддаются термоформованию, но представляют собой органические полимеры, подобные (изоляционным) полимерам. Они могут обладать высокой электропроводностью, но обладают другими механическими свойствами, чем другие коммерчески используемые полимеры. Электрические свойства можно настроить с помощью методов органический синтез^[7] и повышенной дисперсии.^[8]

Полимеры с линейной основной цепью, такие как полиацетилен, полипиррол, и полианилин являются основными классами проводящих полимеров. Поли (3-алкилтиофены) - типичные материалы для солнечные батареи и транзисторы.^[7]

Проводящие полимеры имеют скелеты из смежных пр.² гибридизированные углеродные центры. Один валентный электрон на каждом центре находится в p_z орбиталь, которая ортогональна трем другим сигма-связям. Электроны на этих делокализованных орбиталях обладают высокой подвижностью, когда материал допированный путем окисления, которое удаляет некоторые из этих делокализованных электронов. Таким образом сопряженный p-орбитали образуют одномерный электронная группа, и электроны в этой зоне становятся подвижными, когда она частично опорожняется. Несмотря на интенсивные исследования, взаимосвязь между морфологией, структурой цепочки и проводимостью еще плохо изучена.^[9]

Из-за их плохой технологичности проводящие полимеры не имеют широкого применения. У них есть многообещающие антистатические материалы.^[7] и были встроены в коммерческие дисплеи и батареи, но имели ограничения из-за производственных затрат, несоответствия материалов, токсичности, плохой растворимости в растворителях и невозможности прямого плавления. Тем не менее, проводящие полимеры быстро завоевывают популярность в новых сферах применения, поскольку они становятся все более перерабатываемыми материалами с лучшими электрическими и физическими свойствами и меньшей стоимостью. Благодаря наличию стабильных и воспроизводимых дисперсий, поли (3,4-этилендиокситиофен) (ПЕДОТ) и полианилин получили несколько крупномасштабных приложений. В то время как PEDOT в основном используется в антистатических приложениях и в качестве прозрачного проводящего слоя в виде PEDOT и полистиролсульфоновая кислота (PSS, смешанная форма: PEDOT: PSS), полианилин широко используется для изготовления печатных плат, при окончательной отделке, для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости.^[8] Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров дают новый импульс развитию этой области благодаря своей большей площади поверхности и лучшей диспергируемости.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Хит, Дж. Р. (2009). «Молекулярная электроника». Ежегодный обзор исследований материалов. 39: 1–23. Bibcode:2009AnRMS..39 .... 1H. Дои:10.1146 / annurev-matsci-082908-145401.

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Молекулярная электроника в Wikimedia Commons

[1] Petty, M.C .; Брайс, М.Р. и Блур, Д. (1995). Введение в молекулярную электронику. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С. 1–25. ISBN 0-19-521156-1.

[2] Авирам, Арье; Ратнер, Марк А. (15 ноября 1974 г.). «Молекулярные выпрямители». Письма по химической физике. 29 (2): 277–283. Bibcode:1974CPL .... 29..277A. Дои:10.1016/0009-2614(74)85031-1.

[3] Джафри, С. Х. М .; и другие. (2010). Нанотехнологии. 21: 435204. Дои:10.1088/0957-4484/21/43/435204 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/21/43/435204/meta. Отсутствует или пусто | название = (помощь)

[4] Gimzewski, J.K .; Иоахим, К. (1999). «Наноразмерная наука об отдельных молекулах с использованием локальных зондов». Наука. 283 (5408): 1683–1688. Bibcode:1999Научный ... 283.1683G. Дои:10.1126 / science.283.5408.1683. PMID 10073926.

[5] Соренсен, J.K. В архиве 2016-03-29 в Wayback Machine. (2006). «Синтез новых компонентов, функционализированных фуллереном (60), для молекулярной электроники». 4-е ежегодное собрание - CONT 2006 г., Копенгагенский университет.

[6] Шукфех, Мухаммед Ихаб; Сторм, Кристиан; Махмуд, Ахмад; Søndergaard, Roar R .; Свайца, Анна; Хансен, Аллан; Хинце, Питер; Вейманн, Томас; Фальвик Свенссон, София; Бора, Ачют; Дик, Кимберли А .; Thelander, Клаас; Krebs, Frederik C .; Лугли, Паоло; Самуэльсон, Ларс; Торнов, Марк (2013). «Повышение проводимости нанопроволок гетероструктуры InAs / InP путем поверхностной функционализации олиго (фениленвинилен) s». САУ Нано. 7 (5): 4111–4118. Дои:10.1021 / nn400380g. PMID 23631558.

[Ullmann-7] а ^б ^c Герберт Наарманн «Полимеры, проводящие электричество» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2002 г., Wiley-VCH, Weinheim. Дои:10.1002 / 14356007.a21_429

[nalwa-8] а ^б Справочник по наноструктурированным материалам и нанотехнологиям; Nalwa, H.S., Ed .; Academic Press: Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 2000; Том 5, стр. 501–575.

[9] Skotheim, T., Elsenbaumer, R., Reynolds, J., Eds .; Справочник по проводящим полимерам, 2-е изд .; Марсель Деккер, Inc.: Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1998 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]