Електроника молекулских размера

С Википедије, слободне енциклопедије

Електроника молекулских размера (електроника молекулске скале, електроника појединачног молекула) је грана нанотехнологије која користи појединачне молекуле, или наноскалне колекције појединачних молекула, као електронске компоненте. Пошто појединачни молекули сачињавају најмање могуће структуре та минијатуризација је ултимативни циљ умањивања електронских кола.

Ово поље се често једноставно назива „молекулска електроника“, мада се тај термин такође користи за сродно поље проводних полимера и органске електронике, које користи особине молекула да утиче на глобална својства молекула. Номенклатурна дистинкција је предложена тако да ово друго поље назива молекуларни материјали за електронику, док се електроника молекулских размера односи на наноскалне примене појединачних молекула.[1][2]

Фундаментални концепти[уреди | уреди извор]

Конвенционалне електронске компоненте су се традиционално правиле од обимних материјала. Од доба открића интегрисаних кола 1958. године, њихова перформанса и комплексност су експоненционално расле (тренд познат као Муров закон), што је условило стално умањивање уграђених компоненти. Сензитивност на девијације се повећавала са умањењем, и за неколико генерација кад минимална величина компоненти достигне 13 нм, биће неопходно да се композиција уређаја контролише са прецизношћу од неколико атома да би уређаји могли да раде[3]. Приступ који користи обимне материјале има наследна ограничења и постаје све скупљи, те је почела да стиче популарност идеја да се компоненте могу формирати на супротан начин, почевши од појединачних атома у хемијској лабораторији. Та идеја је у основи молекулске електронике и њене ултиматне миниатуризација, која доводи до једномолекулских компоненти.

У једномолекуларној електроници, велики део материјала замењују појединацни молекули. Уместо да формирају структуре уклањањем или наношењем материјала, атоми се састављају у лабораторији. На тај начин се извршавају истовремено хиљаде милијарди примерака (обично се израђује више од 1020 молекула), док се састав молекула контролише до последњег атома. Молекули који се користе имају особине сличне традиционалним електронским компонентама као што су жица, транзистор или исправљач.

Једномолекуларна електроника је поље у експанзији, а читава електронска кола која се састоје искључиво од молекулских једињења су и даље далеко од реализације. Међутим, незаобилазна потражња за више рачунарске снаге, заједно са инхерентним ограничењима литографских метода од 2016. године, чини транзицију неизбежним. Тренутно је фокус на откривању молекула са занимљивим својствима и на проналажењу начина да се добију поуздани и поновљиви контакти између молекуларних компоненти и материјала у маси електрода.

Теоријска основа[уреди | уреди извор]

Молекуларна електроника делује у квантном простору на растојањима мањим од 100 нанометара. Минијатуризација према појединачним молекулима доводи скалу до дела где су ефекти квантне механике важни. У конвенционалним електронским компонентама, електрони се могу допунити или извлачити више или мање као сталан проток електричног набоја. Насупрот томе, у молекуларној електроници пренос једног електрона значајно мења систем. На пример, када је електрон пребачен из једне изворне електроде у молекул, молекул се напуни, што отежава следећи пренос електрона. Значајна количина енергије мора се због пуњења обрачунати приликом израчунавања електронских особина подешавања, и врло је осетљива на растојање до проводљивих површина у близини.

Теорија јединствених молекулских уређаја је нарочито занимљива, јер је систем који се разматра отворени квантни систем у неравнотежју (погоњен напоном). У режиму ниског напрезања, неједнакост природе молекуларног споја може се занемарити, а карактеристике струје напона уређаја могу се израчунати помоћу равнотеже електронског структурног система. Међутим, у јачим условима пристрасности потребан је софистициран третман, јер више не постоји варијацијски принцип. У еластичном тунелском кућишту (код којих пролазни електрон не мења енергију са системом), формализам Ролфа Ландауера може се користити за израчунавање преноса кроз систем као функција напона пристраности, а самим тим и струје. У нееластичном тунелингу, елегантни формализам заснован на неуравнотеженим функцијама Греен-а од Леа Каданофа и Гордона Баима, а независно од Леонида Келдиша су предводили Нед Вингрин и Иигал Меир. Ова формулација Меир-Вингрин користи се за велики успех у заједници молекуларне електронике како би испитала теже и занимљиве случајеве где транзијентни електрон размењује енергију са молекуларним системом.

Примери[уреди | уреди извор]

Уобичајено за молекуле који се користе у молекуларној електроници јесте то што њихове структуре садрже многе измењиве двоструке и појединачне везе. Ово се ради зато што такви узорци делокализују молекуларне орбитале, омогућавајући да се електрони слободно крећу преко коњугованог подручја.

Жице[уреди | уреди извор]

Једина сврха молекуларних жица је електрично повезивање различитих делова молекуларног електричног кола. Пошто њихова монтажа и њихова веза са макроскопским колом и даље није савладана, фокус истраживања у електроници са појединачним молекулима је првенствено на функционализованим молекулима: молекуларне жице карактерише то да не садрже никакве функционалне групе и стога се састоје од обичних понављања коњуговани структура. Међу њима су карбонске наноцеви које су прилично велике у поређењу са другим сугестијама, али су показале врло обећавајуће електричне особине.

Главни проблем код молекулских жица је стварање доброг електричног контакта са електродама, тако да се електрони могу слободно кретати унутар и изван жице.

Транзистори[уреди | уреди извор]

Транзистори са појединачним молекулима су фундаментално различити од оних познатих из скупне електронике. Капија у конвенционалном транзистору (ефектом поља) одређује проводљивост између изворне и одводне електроде контролисањем густине носача пуњења између њих, док капија у транзистору са једним молекулом контролише могућност да један једини електрон скочи у или из молекула модификовањем енергије молекуларних орбитала. Један од ефеката ове разлике је тај што је транзистор са једним молекулом скоро бинарни: он је или укључен или искључен.

Квантизација пуњења у електроне је одговорна за знатно другачије понашање у поређењу са скупном електроником. Због величине појединачног молекула, пуњење путем једног електрона је значајно и омогућава укључивање и искључивање транзистора. Да би ово функционисало, електронске орбитале на молекулу транзистора не могу бити погодно интегрисане са орбиталама електрода. Ако јесу, не може се рећи да је електрон на молекулу или електродама, већ ће молекул функционисати као жица.

Популарна група молекула, која може имати улогу полупроводничког материјала у молекуларном транзистору, јесте олигополифенилевинилен, који функционише помоћу Колумбовог механизма блокаде када је постављен између изворне и одводне електроде на одговарајући начин.[4] Фулерени раде по истом принципу и често се користе.

Полупроводничке карбонске наноцеви су се такође показале да функционишу као проводници, али иако су молекуларни, ови молекули су довољно великки да се понашају као полупроводници.

Величина молекула и нискотемпературна мерења која се изводе, чине квантно механичко стање добро дефинисаним. I даље се истражује да ли се квантно-механичка својства могу користити за напредније сврхе од једноставних транзистора.

Физичари са Универзитету у Аризони су, у сарадњи са хемичарима са Универзитета у Мадриду, дизајнирали мономолекуларни транзистор користећи молекул у облику прстена сличан бензену. Физичари на канадском Националном институту за нанотехнологију су дизајнирали мономолекуларни транзистор помоћу стирена. Обе групе очекују да њихови уређаји функционишу на собној температури и да буду контролисани једним електроном.[5]

Исправљачи (диоде)[уреди | уреди извор]

Молекуларни исправљачи имитирају своје скуповне замене и имају асиметричну конструкцију тако да молекул може прихватити електроне на једном крају, али не и на другом. Молекули имају донатора електрона (D) на једном крају и електронски акцептор (А) на другом. На овај начин ће нестабилно стање D + - А- бити лакше направити од D- - А +. Резултат овога јесте да се електрична струја може извући кроз молекул ако се електрони додају кроз акцепторски крај, али не толико једноставно ако се покуша супротно.

Методе[уреди | уреди извор]

Један од највећих проблема са мерењем на појединачним молекулима јесте успостављање поновљивог електричног контакта са само једним молекулом и то радити без изазивања кратког споја код електрода. Будући да тренутна фотолитографска технологија није у стању да произведе довољно мале празнине електроде да би контактирала оба краја тестираних молекула, примјењују се алтернативне стратегије.

Молекуларне празнине[уреди | уреди извор]

Један од начина за производњу електрода између којих се налази размак молекулских величина јесу прекидне спојнице, у којима се танка електрода истеже све до њеног пуцања. Други од начина је електромиграција. Код ње се струја проводи кроз танку жицу док се она не отопи и тада атоми мигрирају да би се направила празнина. Осим тога, побољшана фотолитографија може се постићи хемијским језгром или наношењем метала на електроде.

Усидравање[уреди | уреди извор]

Популаран начин усидравања молекула на електроде је да се користи високи хемијски афинитет сумпора према злату. У овим поставкама, молекули се синтетишу тако што се атоми сумпора стратешки постављају да функционишу као крокодилске штипаљке које повезују молекуле са златним електродама. Иако корисно, сидрење је непрактично, јер ће се молекули насумично усидрити на све златне површине. Осим тога, отпор додира у великој мери зависи од прецизне атомске геометрије око места усидравања и тиме инхерентно компромитује обновљивост везе.

Да би заобишли даље проблеме, експерименти су показали да фулерени могу бити бољи кандидати уместо сумпора због великог коњугованог п-система који може електрично додиривати много више атома од једног атома сумпора.[6]

Наноелектроника фулерена[уреди | уреди извор]

У полимерима, класични органски молекули састоје се од угљеника и водоника (а понекад и додатних једињења као што су азот, хлор или сумпор). Добијају се од бензина и често се могу синтетизовати у великим количинама. Већина ових молекула је изолована када њихова дужина прелази неколико нанометара. Међутим, природни угљен диоксид настаје, нарочито графит који се добија од угља или се на други начин долази до њега. Теоретски гледано, графит је полу-метал, категорија између метала и полу-проводника. Има слојевиту структуру, сваки слој је дебљине једног атома. Између сваког слоја, везе су довољно слабе да би се могло омогућити једноставно ручно отцепљење.

Прилагођавање графичког изгледа за добијање добро дефинисаних објеката чија се димензија мери у нанометрима остаје изазов. Међутим, до краја 20. века хемичари су истраживали методе за израду екстремно малих графичких објеката који се могу сматрати јединственим молекулима. Након проучавања међузвезданих услова под којим је познато да угљеник формира једињења, група Ричарда Смолија (Универзитет Рајс, Тексас) извела је експеримент у којем је графит испарио услед излагања ласерском зрачењу. Масена спектрометрија открила је да су једињења која садрже специфичне магичне бројеве атома стабилна, посебно она од 60 атома. Хари Крото, енглески хемичар који је асистирао у експерименту, предложио је могућу геометрију за ова једињења- атоми који су ковалентно везани са тачном симетријом фудбалске лопте. Уоквирени буцкминстерфуллеренес, буцкибаллс, или C60, кластери су задржали нека својства графита, као што је проводљивост. Ови објекти су брзо замишљени као могући темељи за молекуларну електронику.

Проблеми[уреди | уреди извор]

Артефакти[уреди | уреди извор]

Када покушавамо да измеримо електронске особине молекула, може доћи до вештачких појава које се тешко разликују од правог молекуларног понашања.[7] Пре него што су откривени, ови артефакти су се сматрали карактеристиком ових молекула.

Примена пада напона преко нанометарског размака резултује веома јаким електричним пољем. Поље може проузроковати миграцију атома метала и на крају затворити празнину танком филаментом, која може поново настати када се преноси струја. Два нивоа проводљивости имитирају молекуларни прекидач између проводног и изолационог стања молекула.

Други сусрет који имамо са артефакатима јесте ситуација када електроде пролазе кроз хемијске реакције услед високе јачине поља у празнини. Када се напонска склоност обрне, реакција ће изазвати хистерезис у мерењима молекуларног порекла.

Метално зрно између електрода може да делује као електронски транзистор са горе описаним механизмом, што подсећа на особине молекуларног транзистора. Овај артефакт је нарочито уобичајен код нанопразнина произведених методом електромиграције.

Комерцијализација[уреди | уреди извор]

Једна од главних препрека за комерцијалну експлоатацију једномолекулске електронике јесте недостатак метода за повезивање кола молекуларне величине с већим електродама на начин који даје репродуктивне резултате. У тренутном стању, потешкоћа повезивања појединачних молекула знатно надмашује било какво повећање перформанси које се може добити од таквог умањивања. потешкоће се још додатно отежавају ако би молекули имали одређену просторну оријентацију и/или имају више полова за повезивање.

Такође је проблематично што се одређена мерења на појединачним молекулима одвијају у криогеним температурама(у близини апсолутне нуле), која троши доста енергије. Ово је учињено како би се умањила бука сигналн довољно за мерење слабих струја појединачних молекула.

Историја и недавни напредак[уреди | уреди извор]

У свом третману такозваних донор-акцепторских комплекса 1940-их, Роберт Муликен и Алберт Сент-Гиорги су унапредили концепт преноса набоја у молекулима. Они су накнадно додатно пречишћавали студију трансфера и преноса енергије у молекулима. Такође, рад из књиге Марка Маркнера и Ари Авирам из 1974. илустровао је теоретски молекуларни исправљач.[8] 1988. Авирам је детаљно описао теоријски транзистор са једним молекулом на пољу. Даље концепте предложио је Форест картер из Лабораторије за поморско истраживање, укључујући једномолекулске логичке капије. Широк спектар идеја представљен је под његовим окриљем на конференцији под називом Молекуларни електронски уређаји 1988.[9] То су били све теоретски, а не конкретни уређаји. Директно мерење електронских особина појединих молекула захтевало је развој метода за израду електричних контаката молекуларне величине. Ово није био лак задатак. Тако је први експеримент директног мерења проводљивости појединачног молекула реализован тек 1995. године на молекулу C60 од стране C. Јоакима и ЈК Гимзевског у њиховом раду за Пхисицал Ревие Леттер, а касније 1997. Марк Рид и његови сарадници на неколико стотина молекула. Од тада, ова грана брзо напредује. Такође, како је постало могуће директно измерити таква својства, теоретска предвиђања су потврђена.

Недавни напредак у области нанотехнологије и нанонауке олакшао је експериментално и теоријско истраживање молекуларне електронике. Развој скенирајућег тунелског микроскопа (СТМ), а затим и микроскопа атомских сила (АФМ) значајно су олакшали манипулацију електроником са појединачним молекулима. Такође, теоретски напредак у молекуларној електроници олакшао је даље разумевање неадијабатских преноса набоја на интерфејсима електроде и електролита.[10][11]

Концепт молекуларне електронике први пут је објављен 1974. године када су Авирам и Ратнер осмислили органски молекул који може радити као исправљач.[12] Имајући комерцијални и фундаментални интерес у виду, пуно труда су утрошили у доказивање његове изводљивости, а 16 година касније, 1990. године, прву демонстрацију интринсичног молекуларног исправљача реализовао је Ешвел са својим тимом на танком слоју молекула.

Прво мерење проводљивости појединачног молекула реализовано је 1994. године од стране C. Јоакима и Ј. К. Гимзевског,а затим објављено 1995. године. Ово је био закључак десетогодишњег истраживања започетог у ИБМ ТЈ Ватсону, коришћењем врха апекса скенирајућег тунелскох микроскопа како би се променио јединствени молекул као што су већ истражили А. Авирам, C. Јоаким и M. Померанц на крају 80-их. Трик је био да се користи УХВ скенирајући тунелски микроскоп како би врх апелса лагано додирнуо врх јединственог C60 молекула абсорбованог на Ау(110) површини. Измерен је отпор од 55 МОхмс заједно са нисконапонским линеаром I-V. Контакт је потврдјен мерењем I-з тренутног растојања, што омогућава мерење деформације C60 кавеза под контактом. Овај први експеримент је праћен коришћењем методемеханичког прекидног споја повезивањем две златне електроде молекуларном жицом на чијем је крају сумпор. Тај експеримент извели су Марк Рид и Џејмс Тур 1997.[13]

Једно-молекуларни појачивач су имплементирали C. Јоаким и Ј. К. Гимзевски у ИБМ Цириху. Овај експеримент, који укључује један C60 молекул, показао је да један такав молекул може да обезбеди добитак у колу помоћу интрамолекуларних квантних интерференцијских ефеката.

Сарадња истраживача у компанији Хјулет-Пакард(ХП) и Универзитета у Калифорнији, у Лос Анђелесу (УЦЛА), коју су предводили Џејмс Хит, Фрасер Стодарт, Р. Стенли Вилијамс и Филип Куекес, развила је молекуларну електронику засновану на ротаксанима и цатенанима.

Радови се такође јављају на коришћењу једноделних угљеничних наноцеви као транзистора са ефектом поља. Већину овоих истраживања спроводи ИБМ.

До недавно, потпуно теоретски модел Авирам-Ратнер за неимолекуларне исправљаче недвосмислено је потврђен у експериментима групе коју је предводио Џофри Ј. Ешвел на Универзитету Бангор у Великој Британији.[14][15][16] До сада су идентификовани многи исправљачки молекули, а број и ефикасност ових система расте из дана у дан.

Супрамолекуларна електроника је ново поље које укључује електронику на супрамолекуларном нивоу.

Важно питање у молекуларној електроници је одређивање отпора једног молекула (теоретски и у пракси). На пример, Бумов тим користио је СТМ да анализира један молекуларни прекидач у самосталном слоју како би одредио колико проводљив тај молекул може да буде.[17] Још један проблем са којим се суочава ова област је тешкоћа извођења директне карактеризације јер је прецизно приказивање на молекуларној скали често неизводљиво код многих експерименталних уређаја.

Види још[уреди | уреди извор]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Петтy M.C. Брyце, M.Р. & Блоор, D. (1995). Интродуцтион то Молецулар Елецтроницс. Неw Yорк: Оxфорд Университy Пресс. стр. 1–25. ИСБН 978-0-19-521156-6. 
  2. ^ Тоур Јамес M.; et al. (1998). „Recent advances in molecular scale electronics”. Annals of the New York Academy of Sciences. 852: 197—204. Bibcode:1998NYASA.852..197T. doi:10.1111/j.1749-6632.1998.tb09873.x. 
  3. ^ Rainer 2008, стр. 175–212
  4. ^ Kubatkin, S.; et al. (2003). „Сингле-елецтрон трансистор оф а сингле органиц молецуле wитх аццесс то северал редоx статес”. Натуре. 425 (6959): 698—701. Бибцоде:2003Натур.425..698К. ПМИД 14562098. дои:10.1038/натуре02010. 
  5. ^ Андерсон, Марк (2005-06-09) "Хонеy, I Схрунк тхе ПЦ". Wиред.цом
  6. ^ Сøренсен, Ј.К. Архивирано на сајту Wayback Machine (29. март 2016). (2006). "Сyнтхесис оф неw цомпонентс, фунцтионализед wитх (60)фуллерене, фор молецулар елецтроницс". 4тх Аннуал меетинг – ЦОНТ 2006, Университy оф Цопенхаген.
  7. ^ Сервице, Р.Ф. (2003). „Молецулар елецтроницс – Неxт-генератион тецхнологy хитс ан еарлy мидлифе црисис”. Сциенце. 302 (5645): 556—+. ПМИД 14576398. дои:10.1126/сциенце.302.5645.556. 
  8. ^ Авирам, Ариех; Ратнер, Марк А. (1974). „Молецулар рецтифиерс”. Цхемицал Пхyсицс Леттерс. 29 (2): 277—283. Бибцоде:1974ЦПЛ....29..277А. дои:10.1016/0009-2614(74)85031-1. 
  9. ^ Цартер, Ф. L.; Сиаткоwски, Р. Е. анд Wохлтјен, Х. (едс.) (1988) Молецулар Елецтрониц Девицес. стр. 229–244, Нортх Холланд, Амстердам.
  10. ^ Гупта, Цхаитанyа; Сханнон, Марк А.; Кенис, Паул Ј. А. (2009). „Мецханисмс оф Цхарге Транспорт тхроугх Монолаyер-Модифиед Полyцрyсталлине Голд Елецтродес ин тхе Абсенце оф Редоx-Ацтиве Моиетиес”. Тхе Јоурнал оф Пхyсицал Цхемистрy C. 113 (11): 4687—4705. дои:10.1021/јп8090045. 
  11. ^ Гупта, Цхаитанyа; Сханнон, Марк А.; Кенис, Паул Ј. А. (2009). „Елецтрониц Пропертиес оф а Монолаyер−Елецтролyте Интерфаце Обтаинед фром Мецханистиц Импеданце Аналyсис”. Тхе Јоурнал оф Пхyсицал Цхемистрy C. 113 (21): 9375—9391. дои:10.1021/јп900918у. 
  12. ^ Авирам, Ариех; Ратнер, M.А. (1974). „Молецулар рецтифиерс”. Цхемицал Пхyсицс Леттерс. 29 (2): 277—283. Бибцоде:1974ЦПЛ....29..277А. дои:10.1016/0009-2614(74)85031-1. 
  13. ^ Реед, M.А.; et al. (1997). „Цондуцтанце оф а Молецулар Јунцтион”. Сциенце. 287 (5336): 252—254. дои:10.1126/сциенце.278.5336.252. 
  14. ^ Асхwелл, Геоффреy Ј.; Хамилтон, Рицхард; Хигх, L. Р. Херманн (2003). „Молецулар рецтифицатион: асyмметриц цуррент-волтаге цурвес фром селф-ассемблед монолаyерс оф а донор-(н-бридге)-аццептор дyе”. Јоурнал оф Материалс Цхемистрy. 13 (7): 1501. дои:10.1039/Б304465Н. 
  15. ^ Асхwелл, Геоффреy Ј.; Цхwиалкоwска, Анна; Хигх, L. Р. Херманн (2004). „Ау-С-CнХ2н-Q3ЦНQ: селф-ассемблед монолаyерс фор молецулар рецтифицатион”. Јоурнал оф Материалс Цхемистрy. 14 (15): 2389. дои:10.1039/Б403942Д. 
  16. ^ Асхwелл, Геоффреy Ј.; Цхwиалкоwска, Анна; Херманн Хигх, L. Р. (2004). „Рецтифyинг Ау-С-CнХ2н-П3ЦНQ деривативес”. Јоурнал оф Материалс Цхемистрy. 14 (19): 2848. дои:10.1039/Б411343Х. 
  17. ^ Бумм, L. А.; Арнолд, Ј. Ј.; Цyган, M. Т.; Дунбар, Т. D.; Бургин, Т. П.; Јонес, L.; Аллара, D. L.; Тоур, Ј. M.; Wеисс, П. С. (1996). „Аре Сингле Молецулар Wирес Цондуцтинг?”. Сциенце. 271 (5256): 1705—1707. Бибцоде:1996Сци...271.1705Б. дои:10.1126/сциенце.271.5256.1705. 

Литература[уреди | уреди извор]

Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Elektronika_molekulskih_razmera&oldid=27504983”